Механическое движение в живых системах
Механическое движение в живых системах проявляется как: передвижение всей системы относительно ее окружения (среды, опоры, физических тел); деформация самой биосистемы (передвижение ее частей относительно друг друга).
В классической механике весь окружающий нас мир представляется как множество твердых весомых непроницаемых подвижных частиц. совокупности таких частиц образуют различные тела и агрегаты тел. И. Ньютон указывал, что «первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем тела, которые из них состоят; настолько тверды, что они никогда не изнашиваются, не разбиваются вдребезги».
Вместе с тем, надо отметить, что хотя законы Ньютона описывают движение абсолютно твердых тел, которые не деформируются, таких тел в природе нет. Просто в так называемых твердых телах деформации бывают настолько малы, что ими можно пренебречь. Для живых систем изменения относительного расположения элементов – дело обычное и даже необходимое, поскольку эти деформации и есть движения. Сами элементы (части) живых систем также могут существенно деформироваться (например, позвоночный столб). Поэтому изучая движение живой системы всегда учитывают, что работа сил тратится как на передвижение всей системы, так и на ее деформацию. Кроме того, учитывают потери энергии, ее рассеивание (диссипацию).
Механическое движение, изучаемое в биомеханике, происходит под воздействием как внешних, так и внутренних сил. Последние управляются центральной нервной системой (ЦНС) и обусловлены физиологическими процессами. Поэтому для достаточно полного понимания сущности механического движения в биосистеме следует рассматривать не только собственно механику движения, но и его биологическую сторону, так как именно она определяет причины организации механических сил.
Не существует особых законов механики для живого мира. Но применяя эти законы к живым объектам всегда следует учитывать наряду с механическими их биологические особенности (способность и возможность к адаптации, коррекции движений, степень утомления).
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Прямо сейчас студенты читают про:
НАТУРНЫЙ ЛИСТ ПОЕЗДА. ПЕРЕВОЗОЧНЫЕ ДОКУМЕНТЫ Натурный лист формы ДУ-1 – основной документ на поезд. Назначение.
Кривая производственных возможностей На макроуровне моделью, кот. характеризует редкость экономических ресурсов и ограниченность экономических благ является модель кривой.
Полномочия Президента РФ Ст. 80 Конституции Российской Федерации гласит: 1. Президент Российской Федерации является главой государства. 2. Президент.
Учебно-воспитательные задачи урока Примерный перечень учебно-воспитательных задач урока 1. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ (ЦЕЛИ УРОКА).
Особенность развития памяти в раннем возрасте состоит в том, что а) появляется новый процесс — воспроизведение б) объединяясь с речью и мышлением.
Что регулирует циклическую работу биологического двигателя
Автор: СТРЕЖНЕВ МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ / STREZHNEV MIKHAIL ALEKSEEVICH
В свое время Константин Эдуардович Циолковский предположил возможность биологического двигателя в виде стеклянного шара – подобия «громадного земного шара, только в крохотном виде». В нем, как и на какой-нибудь планете, есть количество материи и совершается определенный круговорот веществ. «Наш стеклянный шар и представляет подобие гипотетического существа, обходящегося неизменным количеством материи и вечно живущего»[3]. Получается «вечный биологический двигатель».
Меня заинтересовала идея создания биологического двигателя, чтобы его можно было использовать как альтернативный источник энергии для обеспечения длительных беспосадочных полетов.
Я выбрал эту тему в своем исследовании как более сложную для меня, по которой не так много материала для изучения, в отличие от тех же астероидов. Также я давно увлекаюсь робототехникой и темы по разработке автоматизированных систем мне знакомы, но мне всегда хочется изучить что-то новое. Я посчитал данное направление наиболее актуальным для развития летательной техники, так как все существующие способы уже находятся на пике используемых возможностей и нужно рассматривать что-то альтернативное. Тема исследования выходит за рамки моей учебной деятельности, охватывая биологические и физико-химические процессы, но инженер в 2100 году и должен быть широкопрофильным специалистом.
Передо мной встала проблема: можно ли создать биологический двигатель?
Гипотеза: Биологический двигатель может стать альтернативным источником энергии.
Цель исследования: рассмотреть возможность использования биологического двигателя как источника энергии применительно для обеспечения длительного беспосадочного полета летательного аппарата.
Задачи исследования:
— собрать информацию о применении биоматериала для создания двигателя;
— познакомиться с существующими биологическими двигателями;
— рассмотреть возможность использования биологических двигателей в космосе;
— сделать вывод о возможности использования биологического двигателя, как источника энергии для обеспечения длительного беспосадочного полета летательного аппарата.
Биологические двигатели в природе.
В природе биомоторы существовали на протяжении всего времени. Ротационный мотор, присущий бактериям, является по своему устройству электродвигателем, так называемым жгутиковым комплексом. Он используется для вращения жгутиков и перемещения клеток в водной среде. Специальные моторные белки развивают значительное механическое усилие и совершают перемещения при работе с молекулами ДНК[2].
В последнее время в нашей стране активно изучаются и используются нанотехнологии. Биологические двигатели как раз и относятся к этой сфере. Они имеют наноразмеры и более высокую эффективность по сравнению с элекродвигателями, созданными человечеством. Они экологически безопасны и совместимы с окружающей средой. По сути биологические моторы — это молекулы белка, средствами генной инженерии возможно их конструирование с необходимыми свойствами. Привлекательность биомолекулярных моторов для нанотехнологий состоит и в том, что сегодня это практически единственные реально существующие нанодвигатели. В реальности современные нанороботы нигде не применяются из-за отсутствия приличных двигателей, способных заставить микро-ботов двигаться.
Недостатком биологических моторов служат специфичные условия работы: кислотность, жидкая среда солевого состава и температура.
Ученым уже очень давно известно, что некоторые виды бактерий и других микроорганизмов имеют хвосты, движение которых позволяет им перемещаться вперед. Ранее науке не удавалось выяснить, что приводит в движение жгутики бактерий. И только недавно исследователи из Великобритании, при помощи технологии электронной криотомографии получили первые в истории высококачественные снимки биологических двигателей естественного происхождения (рис.1), которые чем-то напоминают современные двигательные установки и состоят из множества различных движущихся элементов[2].
В своих исследованиях ученые использовали в качестве образцов бактерии различных типов и, как оказалось, каждый тип бактерии обладает уникальным биологическим двигателем, отличающимся от двигателей других бактерий формой, величиной, сложностью структуры, мощностью, скоростью вращения и другими параметрами[2].
Единственной общей чертой всех биологических двигателей является система неподвижных молекулярных колец, своего рода эквивалент статора обычного электрического двигателя. Этот молекулярный статор и позволяет двигателю вырабатывать вращающий момент, который передается на крутящиеся органы бактерий — своего рода пропеллеры, толкающие их вперед[2].
Некоторые из бактерий имеют «статоры» достаточно больших размеров, что позволяет им вырабатывать большую мощность и крутящий момент. Самый большой «статор» можно увидеть у бактерии Campylobacter, он в два раза больше, чем «статор» бактерии вида Salmonella[2].
Полученные учеными снимки служат разоблачением ошибочного представления о том, что подобные биологические машины невероятно сложны. Теперь же, имея информацию о строении биологических двигателей естественного происхождения, ученые, работающие в области нанотехнологий, могут создавать свои собственные биодвигатели, обладающие необходимыми им размерами, скоростью, мощностью и другими характеристиками.
Первые созданные биологические двигатели
Разработка искусственных наномоторов находится на самых ранних стадиях.
Ученые, работая над задачей превращения бактерий в нанороботов,
обратили внимание на бактериальные жгутики у бактерий.
Законы физики наномира значительно разнятся с известными нам, поэтому уменьшившись до наноразмера микроба, человек просто не смог бы двигаться в жидкой среде. Бактерии же отлично справляются с этой функцией, используя для движения свои природные механизмы.
Исследователи пытались клонировать их, создавая упрощенные нано-аналоги, но они обладали целым рядом недостатков, в числе которых была значительная дороговизна, плохая подвижность и повышенная хрупкость изделий.
Ученые вырастили колонию бактерий Salmonella typhimurium, а затем покрыли их жгутики оксидом кремния и никелем — это позволило воздействовать на них с помощью магнитных полей. В ходе исследований выявили, что они смогли передвигаться не хуже обычных, преодолевая за секунду расстояние, превышающее в два раза их собственную длину[2].
В 2015 году ученым удалось создать и запустить необычный биологический двигатель, использующий бактерий и процесс испарения воды, постоянно происходящий на Земле.
Создав на базе круговорота воды новый способ, ученые получили бесконечный источник экологически чистой энергии, основными элементами которого являются споры бактерий.
В естественных условиях споры большинства вида бактерий расширяются в несколько раз, попав под воздействие влаги. Попав опять в сухие условия, споры снова сокращаются, уменьшаясь в размерах. Именно это простое движение легло в основу принципов работы созданного учеными биологического двигателя.
В настоящее время ученые занимаются экспериментами со спорами различных бактерий, чтобы еще больше увеличить деформацию. Это позволит разработать другие подобные технологии, сырьем для которых будет выступать вода.
Исследователи итальянского института нанотехнологий разработали систему микродвигателей, приводимую в действие микроорганизмами и управляемую светом.
Для систем из нескольких микромоторов важно, чтобы все они двигались с одной скоростью. Для этого разработан алгоритмом, который обрабатывает данные о скорости вращения каждого микромотора и информирует о тех двигателях, которые вращаются медленнее других.
Таким образом, первые существующие наработки пока не позволяют в полной мере использовать биодвигатели в авиации, возможно их применение коснется в первую очередь беспилотных летательных аппаратов, но пока моя идея – это только будущая перспектива альтернативного использования энергии.
Возможность применение биологического двигателя в космических аппаратах
Смогут ли бактерии жить в космосе? Недавно в средствах массовой информации появилось сообщение о том, что на МКС обнаружились микроорганизмы, «прилетевшие из космоса». С обшивки космической станции были взяты пробы, в которых обнаружились споры. Семенной материал на Земле в обычных условиях дал живые бактерии. Кроме того, выяснилось, что микроорганизмы, отправленные на станцию, могут адаптироваться к условиям открытого космоса.
Использование бактерий в биологических двигателях поможет улучшить экологию планеты. У ченые усовершенствовали самые обычные бактерии, заставив перерабатывать углекислый газ в топливо.
Многие тяжелые металлы ядовиты для микробов, и некоторые бактерии разработали систему защиты против таких примесей, выращивая на своей поверхности полупроводниковые кристаллы, нейтрализующие негативное влияние. А значит, теперь мы можем перерабатывать топливо, не выбрасывая углекислый газ в атмосферу.
Принцип передвижения летающей тарелки
Во флорентийской ратуше Палаццо Веккьо есть картина «Мадонна со святым Джованнино», авторство которой приписывают Доменико Гирландайо. Если обратить внимание на второй план, в правом углу можно увидеть крошечных мужчину с собакой, которые внимательно разглядывают непонятное пятно в небе – судя по всему не что иное, как летающая тарелка, от которой во все стороны исходят лучи.
Стоит заметить, что НЛО на картинах авторов Средневековья не были редкостью, но с тех пор наука мало продвинулась в их изучении.
Сам факт существования НЛО до сих пор ставится под сомнение. Но нас скорее интересует принцип передвижения летающей тарелки. И здесь очень убедительно выглядит версия, представленная В.Н.Мегре в серии книг «Звенящие Кедры России». Он описывает энергоустановку как деятельность живых организмов. Для движения различных механизмов в настоящее время мы используем преимущественно энергию взрыва – расширения. Но как следует из законов физики, должна быть и обратная ей энергия сжатия, которую человечество практически не использует. Но если объединить эти энергии в одном устройстве, можно представить себе механизм перемещения НЛО в пространстве. Нам известны микроорганизмы, превращающие газообразные вещества в твердые, при этом скорость этих процессов может быть различной. Эти бактерии и находятся с внутренней стороны верхней поверхности летающей тарелки, всасывают воздух, превращая его в твердое тело, при этом образуя вакуум впереди по ходу движения. Затвердевшие струи воздуха, проходя через основание тарелки, снова благодаря микробам распадаются на газы, толкая летательный аппарат вперед. Достичь значительной скорости этого процесса для поступательного движения кажется невероятно, но д вадцать лет назад сотовый телефон для каждого тоже был фантастикой, как говорят родители. Эта сфера очень привлекательна для исследования двигателей в энергетике, возможно к 2100 году мы уже будем пользоваться этими открытиями.
Заключение
Итак, мы рассмотрели возможность использования альтернативной энергии в виде биологического двигателя. Выяснили, что такие двигатели существуют в природе и даже реализуются учеными. До практического применения в качестве альтернативного источника энергии для обеспечения полетов еще далеко, но я думаю, что это очень перспективное направление.
В настоящее время используется энергия расширения вещества в виде взаимодействия (взрыва) других веществ для осуществления движения как в воздухе, так и в космосе. Но ведь согласно закону сохранения энергии должна быть и обратная энергия сжатия. Этот вопрос наука пока не изучила в достаточной степени, чтобы использовать его в авиации и космонавтике, но возможно его решение лежит в области микромира и нанотехнологий, когда бактерии будут создавать вакуум или разряжение на пути движения, а затем использовать ту же энергию для расширения позади летательных аппаратов. Фантастика? Нет, ведь мы пока не научились использовать энергию от взрыва водородной бомбы, используя этот процесс в мирных целях. Значит существует и обратная реакция, когда пространство может мгновенно сжаться. И созданные природой бактерии могут быть полезны в работе рассматриваемого биологического двигателя.
Поэтому считаю, что за биологическим двигателем будущее, как бы невероятно это сейчас не выглядело. Надеюсь, что уже в скором времени мою теорию возьмут на вооружение и через несколько лет биомоторы станут такими же привычными.
Что регулирует циклическую работу биологического двигателя
БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ — периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биол. процессов и явлений. Б. р. в той или иной форме присущи, по видимому, всем живым организмам и отмечаются на всех уровнях организации: от внутриклеточных процессов до… … Биологический энциклопедический словарь
БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ — ритмы, которые сложились в ходе эволюции у человека, животных и растений как приспособление к периодической ритмике среды и закреплены в их генетической структуре (суточное движение листьев и лепестков растений, периодичность двигательной… … Экологический словарь
БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ — (биоритмы) циклические колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Одни биологические ритмы относительно самостоятельны (напр., частота сокращений сердца, дыхания), другие связаны с приспособлением организмов к… … Большой Энциклопедический словарь
БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ — (биоритмы), циклические колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Одни биологические ритмы относительно самостоятельны (например, частота сокращений сердца, дыхания), другие связаны с приспособлением организмов к… … Современная энциклопедия
Биологические ритмы — (биоритмы), циклические колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Одни биологические ритмы относительно самостоятельны (например, частота сокращений сердца, дыхания), другие связаны с приспособлением организмов к… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ — Многие биологические процессы в природе протекают ритмично, т.е. разные состояния организма чередуются с достаточно четкой периодичностью. Примеры быстрых ритмов сокращения сердца или дыхательные движения с периодом всего в несколько секунд. У… … Энциклопедия Кольера
Биологические ритмы — Биологические ритмы периодически повторяющиеся изменения в ходе биологических процессов в организме или явлений природы. Является фундаментальным процессом в живой природе. Наукой, изучающей биоритмы, является хронобиология. По связи с… … Википедия
биологические ритмы — (биоритмы), циклические колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Одни биологические ритмы относительно самостоятельны (например, частота сокращений сердца, дыхания), другие связаны с приспособлением организмов к… … Энциклопедический словарь
Биологические ритмы — (биоритмы) циклические колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Одни биоритмы относительно самостоятельны (например, частота сокращений сердца, дыхания), другие связаны с приспособлением организма к геофизическим… … Экология человека
Биологические ритмы (biological rhythms) — Б. р. представляют собой циклические процессы, происходящие в организмах. Они имеют отношение к регуляции большинства проявлений жизни на Земле. Эти циклы могут быть циркадными (длящимися примерно сутки) или более продолжительными (месячные… … Психологическая энциклопедия
Урок 43. Движение в живой природе
Биологические моторы, моторные белки или молекулярные моторы (англ. biological motors или motor proteins, molecular motors) — белковые комплексы, генерирующие механическое усилие для осуществления движения клеток, внутриклеточного транспорта и других биологических процессов.
Миозин – ( от греч. mys, род. падеж myos-мышца), белок сократит. волокон мышц. Его содержание в мышцах ок. 40% от массы всех белков (в др. тканях и клетках 1-2%). Обладает каталитической активностью: расщепляет аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ) с освобождением энергии, которая используется при мышечном сокращении.
Актин — белок мышечных волокон, участвующий в сократительных процессах в клетке. Способен образовывать длинные нити – микрофиламенты. На каждой молекуле актина присутствуют участки, комплементарные определенным участкам на головках молекул миозина, способные взаимодействовать с ними, с образованием актомиозина – основного сократительного белка мышц. Содержится преимущественно в клетках мускульных тканей
Миофибриллы — (др.-греч. μυς, род.п. μύος «мышца» + лат. fibrilla «волоконце, ниточка») это сократительные элементы мышечного волокна. Образованы комплексом актиновых и миозиновых белков.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 189 – 192.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Одним из проявлений жизнедеятельности организмов является движение. Оно позволяет живым существам не только активно взаимодействовать с окружающей средой, добывать пищу, осваивать новые территории, защищаться. Так же перемещения разного рода встречаются внутри клетки. Они обеспечивают функционирование ее как целостной системы: расхождение хромосом при делении, движение вакуолей и др. В основе такого многообразия форм движения лежит механическое движение.
Описывая любое механическое движение можно выявить силы, вызвавшие его. В частности, движение автомобиля вызывает сила давления газов на поршень в моторе, яблоко падает под действием силы притяжения Земли. Причиной механического движения живых организмов являются специфические химические реакции. Главную роль в которых играют специализированные белки – молекулярные моторы.
Отличительной особенностью белков-молекулярных моторов является возможность изменять свою форму, используя энергию АТФ. К числу таких биологических моторов относится белок миозин. Внешне вид молекулы миозина можно представить как нить с головкой на одном из концов, которая способна к перемещению относительно нити. Молекулы миозина имеют рецепторы к нитям другого белка – актина. Вместе они образуют актин-миозиновый комплекс. Молекулы миозина могут перемещаться вдоль нитей актина. При чем это перемещение может быть значительным, благодаря цикличности в их взаимодействии, поэтому их называют актин-миозиновым мотором. КПД такого микромоторов значительно превышает КПД макромоторов, создаваемых человеком. Регуляцию работы этого моторы осуществляют ионы Ca 2+.
Основу работы мышцы составляет работа множества элементарных актин-миозиновых моторов. Мышечные волокна представлены пучками сократительных белков – миофибриллами. При сокращении мышцы миозина стягивают длинные нити актина, в результате чего сокращение мышц может достигать 50%.
Подобные механизмы биологических моторов позволяют осуществлять многообразие форм движения на клеточном уровне. В том числе изменение формы клетки (амеба, лейкоциты), перемещение макромолекул и органелл внутри клеток. Альтернативными формами движения обладают клетки, перемещающиеся с помощью жгутиков и ресничек. В этом случае биологические моторы перемещаются по микротрубочкам, приводя их в движение. Некоторые моторы осуществляют работу с ДНК (ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы), перемещают рибосому вдоль м-РНК.
Несмотря на огромное разнообразие форм движения живых существ, все они оказываются достаточно сходными и основанными на одних и тех же молекулярных механизмах.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
1. Выберите один ответ.
В основе работы мышц лежит:
- Работа актин-миозиного мотора;
- Движение микротрубочек;
- Движение веществ по градиенту концентраций;
- Изменение тургорного давления мышечных клеток.
Ответ: работа актин-миозиного мотора;
Пояснение: мышечные волокна представлены пучками актин-миозиновых белков – миофибрилл. Движение миозиновых волокон относительно актиновых волокон приводит к сокращению мышц.
2. Найдите ошибку (ошибки) и вычеркните их.
«Механическая работа при действии биологического мотора осуществляется за счет энергии химических связей углеводов и АТФ, а также световой энергии у растений.»
Ответ: «Механическая работа при действии биологического мотора осуществляется за счет энергии химических связей углеводов и АТФ, а также световой энергии у растений.»
Пояснение: Универсальным источником энергии для биохимических процессов в клетке являются молекулы АТФ.
Биологические ритмы здоровья
В 1632 году английский естествоиспытатель Джон Врен в своем «Трактате о травах» («Herbal Treatise») впервые описал дневные циклы тканевых жидкостей в организме человека, которые он, следуя терминоло гии Аристотеля, назвал «гуморы» (лат. humor — жидкость). Каждый из «приливов» тканевой жидкости, по мнению Врена, длился шесть часов. Гуморальный цикл начинался в девять часов вечера выделением первой гуморы желчи — «сhole» (греч. cholе — желчь) и продолжался до трех утра. Затем наступала фаза черной желчи — «melancholy» (греч. melas — черный, chole — желчь), за которой следовала флегма — «phlegma» (греч. phlegma — слизь, мокрота), и, наконец, четвертая гумора — кровь.
Конечно, соотнести гуморы с известными ныне физиологическими жидкостями и тканевыми секретами невозможно. Современная медицинская наука никакой связи физиологии с мистическими гуморами не признает. И все же описанные Вреном закономерности смены настроений, интеллектуальных возможностей и физического состояния имеют вполне научную основу. Наука, изучающая суточные ритмы организма, называется хронобиологией (греч. chronos — время). Ее основные понятия сформулиро вали выдающиеся немецкий и американский ученые профессора Юрген Ашофф и Колин Питтендриг, которых в начале 80-х годов прошлого века даже выдвигали на соискание Нобелевской премии. Но высшую научную награду они, к сожалению, так и не получили.
Главное понятие хронобиологии — дневные циклы, длительность которых периодична — около (лат. circa) дня (лат. dies). Поэтому сменяющие друг друга дневные циклы называются циркадными ритмами. Эти ритмы напрямую связаны с циклической сменой освещенности, то есть с вращением Земли вокруг своей оси. Они есть у всех живых существ на Земле: растений, микроорганизмов, беспозвоночных и позвоночных животных, вплоть до высших млекопитающих и человека.
Каждому из нас известен циркадный цикл «бодрствование — сон». В 1959 году Ашофф обнаружил закономерность, которую Питтендриг предложил назвать «правилом Ашоффа». Под этим названием оно вошло в хронобиологию и историю науки. Правило гласит: «У ночных животных активный период (бодрствование) более продолжителен при постоянном освещении, в то время как у дневных животных бодрствование более продолжительно при постоянной темноте». И действительно, как впоследствии установил Ашофф, при длительной изоляции человека или животных в темноте цикл «бодрствование — сон» удлиняется за счет увеличения продолжительности фазы бодрствования. Из правила Ашоффа следует, что именно свет определяет циркадные колебания организма.
ГОРМОНЫ И БИОРИТМЫ
В течение циркадного дня (бодрствования) наша физиология в основном настроена на переработку накопленных питательных веществ, чтобы получить энергию для активной дневной жизни. Напротив, во время циркадной ночи питательные вещества накапливаются, происходят восстановление и «починка» тканей. Как оказалось, эти изменения в интенсивности обмена веществ регулируются эндокринной системой, то есть гормонами. В том, как работает эндокринный механизм управления циркадными циклами, есть много общего с гуморальной теорией Врена.
Вечером, перед наступлением ночи, в кровь из так называемого верхнего мозгового придатка — эпифиза выделяется «гормон ночи» — мелатонин. Это удивительное вещество производится эпифизом только в темное время суток, и время его присутствия в крови прямо пропорционально длительности световой ночи. В ряде случаев бессонница у пожилых людей связана с недостаточностью секреции мелатонина эпифизом. Препараты мелатонина часто используют в качестве снотворных.
Мелатонин вызывает снижение температуры тела, кроме того, он регулирует продолжительность и смену фаз сна. Дело в том, что человеческий сон представляет собой чередование медленноволновой и парадоксальной фаз. Медленноволновый сон характеризуется низкочастотной активностью коры полушарий. Это — «сон без задних ног», время, когда мозг полностью отдыхает. Во время парадоксального сна частота колебаний электрической активности мозга повышается, и мы видим сны. Эта фаза близка к бодрствованию и служит как бы «трамплином» в пробуждение. Медленноволновая и парадоксальная фазы сменяют одна другую 4-5 раз за ночь, в такт изменениям концентрации мелатонина.
Наступление световой ночи сопровождается и другими гормональными изменениями: повышается выработка гормона роста и снижается выработка адренокортикотропного гормона (АКТГ) другим мозговым придатком — гипофизом. Гормон роста стимулирует анаболические процессы, например размножение клеток и накопление питательных веществ (гликогена) в печени. Не зря говорят: «Дети растут во сне». АКТГ вызывает выброс в кровь адреналина и других «гормонов стресса» (глюкокортикоидов) из коры надпочечников, поэтому снижение его уровня позволяет снять дневное возбуждение и мирно заснуть. В момент засыпания из гипофиза выделяются опиоидные гормоны, обладающие наркотическим действием, — эндорфины и энкефалины. Именно поэтому процесс погружения в сон сопровождается приятными ощущениями.
Перед пробуждением здоровый организм должен быть готов к активному бодрствованию, в это время кора надпочечников начинает вырабатывать возбуждающие нервную систему гормоны — глюкокортикоиды. Наиболее активный из них — кортизол, который приводит к повышению давления, учащению сердечных сокращений, повышению тонуса сосудов и снижению свертываемости крови. Вот почему клиническая статистика свидетельствует о том, что острые сердечные приступы и внутримозговые геморрагические инсульты в основном приходятся на раннее утро. Сейчас разрабатываются препараты, снижающие артериальное давление, которые смогут достигать пика концентрации в крови только к утру, предотвращая смертельно опасные приступы.
Почему некоторые люди встают «ни свет, ни заря», а другие не прочь поспать до полудня? Оказывается, известному феномену «сов и жаворонков» есть вполне научное объяснение, которое базируется на работах Жэми Зейцер из Исследовательского центра сна (Sleep Research Center) Станфордского университета в Калифорнии. Она установила, что минимальная концентрация кортизола в крови обычно приходится на середину ночного сна, а ее пик достигается перед пробуждением. У «жаворонков» максимум выброса кортизола происходит раньше, чем у большинства людей, — в 4-5 часов утра. Поэтому «жаворонки» более активны в утренние часы, но быстрее утомляются к вечеру. Их обычно рано начинает клонить ко сну, поскольку гормон сна — мелатонин поступает в кровь задолго до полуночи. У «сов» ситуация обратная: мелатонин выделяется позже, ближе к полуночи, а пик выброса кортизола сдвинут на 7-8 часов утра. Указанные временные рамки сугубо индивидуальны и могут варьировать в зависимости от выраженности утреннего («жаворонки») или вечернего («совы») хронотипов.
«ЦИРКАДНЫЙ ЦЕНТР» НАХОДИТСЯ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ
Что же это за орган, который управляет циркадными колебаниями концентрации гормонов в крови? На этот вопрос ученые долгое время не могли найти ответ. Но ни у кого из них не возникало сомнений, что «циркадный центр» должен находиться в головном мозге. Его существование предсказывали и основатели хронобиологии Ашофф и Питтендриг. Внимание физиологов привлекла давно известная анатомам структура головного мозга — супрахиазматическое ядро, расположенное над (лат. super) перекрестом (греч. chiasmos) зрительных нервов. Оно имеет сигарообразную форму и состоит, например, у грызунов всего из 10 000 нейронов, что очень немного. Другое же, близко расположенное от него, ядро, параветрикулярное, содержит сотни тысяч нейронов. Протяженность супрахиазматического ядра также невелика — не более половины миллиметра, а объем — 0,3 мм 3 .
В 1972 году двум группам американских исследователей удалось показать, что супрахиазматическое ядро и есть центр управления биологическими часами организма. Для этого они разрушили ядро в мозге мышей микрохирургическим путем. Роберт Мур и Виктор Эйхлер обнаружили, что у животных с нефункционирующим супрахиазматическим ядром пропадает цикличность выброса в кровь гормонов стресса — адреналина и глюкокортикоидов. Другая научная группа под руководством Фредерика Стефана и Ирвина Цукера изучала двигательную активность грызунов с удаленным «циркадным центром». Обычно мелкие грызуны после пробуждения все время находятся в движении. В лабораторных условиях для регистрации движения к колесу, в котором животное бежит на месте, подсоединяется кабель. Мышки и хомячки в колесе диаметром 30 см пробегают 15-20 км за день! По полученным данным строятся графики, которые называются актограммами. Оказалось, что разрушение супрахиазматического ядра приводит к исчезновению циркадной двигательной активности животных: периоды сна и бодрствования становятся у них хаотичными. Они перестают спать в течение циркадной ночи, то есть в светлое время суток, и бодрствовать циркадным днем, то есть с наступлением темноты.
Супрахиазматическое ядро — структура уникальная. Если ее удалить из мозга грызунов и поместить в «комфортные условия» с теплой питательной средой, насыщенной кислородом, то несколько месяцев в нейронах ядра будут циклически меняться частота и амплитуда поляризации мембраны, а также уровень выработки различных сигнальных молекул — нейротрансмиттеров, передающих нервный импульс с одной клетки на другую.
Что помогает супрахиазматическому ядру сохранять такую стабильную цикличность? Нейроны в нем очень плотно прилегают друг к другу, формируя большое количество межклеточных контактов (синапсов). Благодаря этому изменения электрической активности одного нейрона мгновенно передаются всем клеткам ядра, то есть происходит синхронизация деятельности клеточной популяции. Помимо этого, нейроны супрахиазматического ядра связаны особым видом контактов, которые называются щелевыми. Они представляют собой участки мембран соприкасающихся клеток, в которые встроены белковые трубочки, так называемые коннексины. По этим трубочкам из одной клетки в другую движутся потоки ионов, что также синхронизирует «работу» нейронов ядра. Убедительные доказательства такого механизма представил американский профессор Барри Коннорс на ежегодном съезде нейробиологов «Neuroscience-2004», прошедшим в октябре 2004 года в Сан-Диего (США).
По всей вероятности, супрахиазматическое ядро играет большую роль в защите организма от образования злокачественных опухолей. Доказательство этого в 2002 году продемонстрировали французские и британские исследователи под руководством профессоров Франсис Леви и Майкла Гастингса. Мышам с разрушенным супрахиазматическим ядром прививали раковые опухоли костной ткани (остеосаркома Глазго) и поджелудочной железы (аденокарцинома). Оказалось, что у мышей без «циркадного центра» скорость развития опухолей в 7 раз выше, чем у их обычных собратьев. На связь между нарушениями циркадной ритмики и онкологическими заболеваниями у человека указывают и эпидемиологические исследования. Они свидетельствуют о том, что частота развития рака груди у женщин, длительно работающих в ночную смену, по разным данным, до 60% выше, чем у женщин, работающих в дневное время суток.
ЧАСОВЫЕ ГЕНЫ
Уникальность супрахиазматического ядра еще и в том, что в его клетках работают так называемые часовые гены. Эти гены были впервые обнаружены у плодовой мушки дрозофилы в аналоге головного мозга позвоночных животных — головном ганглии, протоцеребруме. Часовые гены млекопитающих по своей нуклеотидной последовательности оказались очень похожи на гены дрозофилы. Выделяют два семейства часовых генов — периодические (Пер1, 2, 3) и криптохромные (Кри1 и 2). Продукты деятельности этих генов, Пер- и Кри-белки, обладают интересной особенностью. В цитоплазме нейронов они образуют между собой молекулярные комплексы, которые проникают в ядро и подавляют активацию часовых генов и, естественно, выработку соответствующих им белков. В результате концентрация Пер- и Кри-белков в цитоплазме клетки уменьшается, что снова приводит к «разблокированию» и активации генов, которые начинают производить новые порции белков. Так обеспечивается цикличность работы часовых генов. Предполагается, что часовые гены как бы настраивают биохимические процессы, происходящие в клетке, на работу в циркадном режиме, но то, как происходит синхронизация, пока непонятно.
Интересно, что у животных, из генома которых генно-инженерными методами исследователи удалили один из часовых генов Пер 2, спонтанно развиваются опухоли крови — лимфомы.
СВЕТОВОЙ ДЕНЬ И БИОРИТМЫ
Циркадные ритмы «придуманы» природой, чтобы приспособить организм к чередованию светлого и темного времени суток и поэтому не могут не быть связаны с восприятием света. Информация о световом дне поступает в супрахиазматическое ядро из светочувствительной оболочки (сетчатки) глаза. Световая информация от фоторецепторов сетчатки, палочек и колбочек по окончаниям ганглионарных клеток передается в супрахиазматическое ядро. Ганглионарные клетки не просто передают информацию в виде нервного импульса, они синтезируют светочувствительный фермент — меланопсин. Поэтому даже в условиях, когда палочки и колбочки не функционируют (например, при врожденной слепоте), эти клетки способны воспринимать световую, но не зрительную информацию и передавать ее в супрахиазматическое ядро.
Можно подумать, что в полной темноте никакой циркадной активности у супрахиазматического ядра наблюдаться не должно. Но это совсем не так: даже в отсутствие световой информации суточный цикл остается стабильным — изменяется лишь его продолжительность. В случае когда информация о свете в супрахиазматическое ядро не поступает, циркадный период у человека по сравнению с астрономическими сутками удлиняется. Чтобы доказать это, в 1962 году «отец хронобиологии» профессор Юрген Ашофф, о котором шла речь выше, на несколько дней поместил в абсолютно темную квартиру двух волонтеров — своих сыновей. Оказалось, что циклы «бодрствование — сон» после помещения людей в темноту растянулись на полчаса. Сон в полной темноте становится фрагментар ным, поверхностным, в нем доминирует медленноволновая фаза. Человек перестает ощущать сон как глубокое отключение, он как бы грезит наяву. Через 12 лет француз Мишель Сиффрэ повторил эти эксперимен ты на себе и пришел к аналогичным результатам. Интересно, что у ночных животных цикл в темноте, наоборот, сокращается и составляет 23,4 часа. Смысл таких сдвигов в циркадных ритмах до сих пор не вполне ясен.
Изменение длительности светового дня влияет на активность супрахиазматического ядра. Если животных, которых в течение нескольких недель содержали в стабильном режиме (12 часов при свете и 12 часов в темноте), затем помещали в другие световые циклы (например, 18 часов при свете и 6 часов в темноте), у них происходило нарушение периодичности активного бодрствования и сна. Подобное происходит и с человеком, когда изменяется освещенность.
Цикл «сон — бодрствование» у диких животных полностью совпадает с периодами светового дня. В современном человеческом обществе «24/7» (24 часа в сутках, 7 дней в неделе) несоответствие биологических ритмов реальному суточному циклу приводит к «циркадным стрессам», которые, в свою очередь, могут служить причиной развития многих заболеваний, включая депрессии, бессонницу, патологию сердечно-сосудистой системы и рак. Существует даже такое понятие, как сезонная аффективная болезнь — сезонная депрессия, связанная с уменьшением продолжительности светового дня зимой. Известно, что в северных странах, например в Скандинавии, где несоответствие длительно сти светового дня активному периоду особенно ощутимо, среди населения очень велика частота депрессий и суицидов.
При сезонной депрессии в крови больного повышается уровень основного гормона надпочечников — кортизола, который сильно угнетает иммунную систему. А сниженный иммунитет неминуемо ведет к повышенной восприимчивости к инфекционным болезням. Так что не исключено, что короткий световой день — одна из причин всплеска заболеваемости вирусными инфекциями в зимний период.
СУТОЧНЫЕ РИТМЫ ОРГАНОВ И ТКАНЕЙ
На сегодняшний день установлено, что именно супрахиазматическое ядро посылает сигналы в центры мозга, ответственные за циклическую выработку гормонов-регуляторов суточной активности организма. Одним из таких регуляторных центров служит паравентрикулярное ядро гипоталамуса, откуда сигнал о «запуске» синтеза гормона роста или АКТГ передается в гипофиз. Так что супрахиазматическое ядро можно назвать «дирижером» циркадной активности организма. Но и другие клетки подчиняются своим циркадным ритмам. Известно, что в клетках сердца, печени, легких, поджелудочной железы, почек, мышечной и соединительной тканей работают часовые гены. Деятельность этих периферических систем подчинена своим собственным суточным ритмам, которые в целом совпадают с цикличностью супрахиазматического ядра, но сдвинуты во времени. Вопрос о том, каким образом «дирижер циркадного оркестра» управляет функционированием «оркестрантов», остается ключевой проблемой современной хронобиологии.
Циклично функционирующие органы довольно легко вывести из-под контроля супрахиазмати ческого ядра. В 2000-2004 годах вышла серия сенсационных работ швейцарской и американской исследовательских групп, руководимых Юли Шиблером и Майклом Менакером. В экспериментах, проведенных учеными, ночных грызунов кормили только в светлое время суток. Для мышей это так же противоестественн о, как для человека, которому давали бы возможность есть только ночью. В результате циркадная активность часовых генов во внутренних органах животных постепенно перестраивал ась полностью и переставала совпадать с циркадной ритмикой супрахиазматического ядра. Возвращение же к нормальным синхронным биоритмам происходило сразу после начала их кормления в обычное для них время бодрствования, то есть ночное время суток. Механизмы этого феномена пока неизвестны. Но одно ясно точно: вывести все тело из-под контроля супрахиазматического ядра просто — надо лишь кардинально изменить режим питания, начав обедать по ночам. Поэтому строгий режим приема пищи не пустой звук. Особенно важно следовать ему в детстве, поскольку биологические часы «заводятся» в самом раннем возрасте.
Сердце, как и все внутренние органы, тоже обладает собственной циркадной активностью. В искусственных условиях оно проявляет значительные циркадные колебания, что выражается в циклическом изменении его сократительной функции и уровня потребления кислорода. Биоритмы сердца совпадают с активностью «сердечных» часовых генов. В гипертрофированном сердце (в котором мышечная масса увеличена из-за разрастания клеток) колебания активности сердца и «сердечных» часовых генов исчезают. Поэтому не исключено и обратное: сбой в суточной активности клеток сердца может вызвать его гипертрофию с последующим развитием сердечной недостаточности. Так что нарушения режима дня и питания с большой вероятностью могут быть причиной сердечной патологии.
Суточным ритмам подчинены не только эндокринная система и внутренние органы, жизнедеятельность клеток в периферических тканях тоже идет по специфической циркадной программе. Эта область исследований только начинает развиваться, но уже накоплены интересные данные. Так, в клетках внутренних органов грызунов синтез новых молекул ДНК преимущественно приходится на начало циркадной ночи, то есть на утро, а деление клеток активно начинается в начале циркадного дня, то есть вечером. Циклически меняется интенсивность роста клеток слизистой оболочки рта человека. Что особенно важно, согласно суточным ритмам меняется и активность белков, отвечающих за размножение клеток, например топоизомеразы II α — белка, который часто служит «мишенью» действия химиотерапевтических препаратов. Данный факт имеет исключительное значение для лечения злокачественных опухолей. Как показывают клинические наблюдения, проведение химиотерапии в циркадный период, соответствующий пику выработки топоизомеразы, намного эффективнее, чем однократное или постоянное введение химиопрепаратов в произвольное время.
Ни у кого из ученых не вызывает сомнения, что циркадные ритмы — один из основополагающих биологических механизмов, благодаря которому за миллионы лет эволюции все обитатели Земли приспособились к световому суточному циклу. Хотя человек и является высокоприспособленным существом, что и позволило ему стать самым многочисленным видом среди млекопитающих, цивилизация неизбежно разрушает его биологический ритм. И в то время как растения и животные следуют природной циркадной ритмике, человеку приходится намного сложнее. Циркадные стрессы — неотъемлемая черта нашего времени, противостоять им крайне непросто. Однако в наших силах бережно относиться к «биологическим часам» здоровья, четко следуя режиму сна, бодрствования и питания.
Иллюстрация «Жизнь растений по биологическим часам.»
Не только животные, но и растения живут по «биологическим часам». Дневные цветы закрывают и открывают лепестки в зависимости от освещенности — это известно всем. Однако не каждый знает, что образование нектара тоже подчиняется суточным ритмам. Причем пчелы опыляют цветы только в определенные часы — в моменты выработки наибольшего количества нектара. Это наблюдение было сделано на заре хронобиологии — в начале ХХ века — немецкими учеными Карлом фон Фришем и Ингеборгом Белингом.
Иллюстрация «Схема «идеальных» суточных ритмов синтеза «гормона бодрствования» — кортизола и «гормона сна» — мелатонина.»
У большинства людей уровень кортизола в крови начинает нарастать с полуночи и достигает максимума к 6-8 часам утра. К этому времени практически прекращается выработка мелатонина. Приблизительно через 12 часов концентрация кортизола начинает снижаться, а спустя еще 2 часа запускается синтез мелатонина. Но эти временные рамки весьма условны. У «жаворонков», например, кортизол достигает максимального уровня раньше — к 4-5 часам утра, у «сов» позже — к 9-11 часам. В зависимости от хронотипа смещаются и пики выброса мелатонина.
Иллюстрация «График зависимости количества инфарктов со смертельным исходом.»
На графике представлена зависимость количества инфарктов со смертельным исходом среди больных, поступивших в клинику Медицинского колледжа университета Кентукки (США) в 1983 году, от времени суток. Как видно из графика, пик количества сердечных приступов приходится на временной промежуток с 6 до 9 часов утра. Это связано с циркадной активацией сердечно-сосудистой системы перед пробуждением.
Иллюстрация «Супрахиазматическое ядро.»
Если супрахиазматическое ядро поместить в «комфортные» физиологические условия (левый снимок) и записать электрическую активность его нейронов в течение суток, то она будет выглядеть как периодические нарастания амплитуды разрядов (потенциала действия) с максимумами каждые 24 часа (правая диаграмма).
Иллюстрация «Ночные животные — хомяки в период бодрствования находятся в постоянном движении.»
В лабораторных условиях для регистрации двигательной активности грызунов к колесу, в котором животное бежит на месте, подсоединяется кабель. По полученным данным строятся графики, которые называются актограммами.
Иллюстрация «Главный «дирижер» биологических ритмов — супрахиазматическое ядро (СХЯ) располагается в гипоталамусе, эволюционно древнем отделе мозга.»
Гипоталамус выделен рамкой на верхнем рисунке, сделанном с продольного разреза мозга человека. Супрахиазматическое ядро лежит над перекрестом зрительных нервов, через которые оно получает световую информацию из сетчатки глаза. Правый нижний рисунок — это срез гипоталамуса мыши, покрашенный в синий цвет. На левом нижнем рисунке то же самое изображение представлено схематически. Парные шарообразные образования — скопление нейронов, формирующих супрахиазматическое ядро.
Иллюстрация «Схема синтеза «гормона ночи» — мелатонина.»
Мелатонин вызывает засыпание, а его колебания в ночное время суток приводят к смене фаз сна. Секреция мелатонина подчиняется циркадной ритмике и зависит от освещенности: темнота ее стимулирует, а свет, наоборот, подавляет. Информация о свете у млекопитающих поступает в эпифиз сложным путем: от сетчатки глаза до супрахиазматического ядра (ретино-гипоталамический тракт), затем от супрахиазматического ядра до верхнего шейного узла и от верхнего шейного узла в эпифиз. У рыб, амфибий, рептилий и птиц освещенность может управлять выработкой мелатонина через эпифиз напрямую, поскольку свет легко проходит через тонкий череп этих животных. Отсюда еще одно название эпифиза — «третий глаз». Как мелатонин управляет засыпанием и сменой фаз сна, пока непонятно.
Иллюстрация «Супрахиазматическое ядро — контролер циркадной ритмики различных органов и тканей.»
Оно осуществляет свои функции, регулируя выработку гормонов гипофизом и надпочечниками, а также с помощью непосредственной передачи сигнала по отросткам нейронов. Циркадную активность периферических органов можно вывести из-под контроля супрахиазматического ядра, нарушив режим питания — принимая пищу по ночам.
Разновидности биологических циклов
Природные ритмы рассматриваются как последствия космических явлений: активности Солнца, вращения Земли вокруг Солнца, влияния Луны, а также звезд и других космических тел.
В зависимости от того, какое космическое тело задает ритм явления, выделяют солнечные сутки, лунные сутки и звездные сутки.
Продолжительность солнечных суток составляют 21 земных часа. Цикличность оценивается по наступлению дня и ночи. Лунные сутки короче, чем солнечные, и составляют 23,5 часа. Доказательством их существования служат морские приливы и отливы. Суточные солнечные и лунные ритмы взаимодействуют друг с другом и образуют новую цикличность жизненных процессов с интервалом повторения в 29,5 земных суток. Последний цикл известен как «синодический» ритм (месяц). Синодический ритм синхронизирован с фазами Луны. Его границы приходятся на полнолуние (максимум активности) и новолуние (минимум активности).
Полный оборот движения вокруг Земли Луна делает за 29,5 земных суток. Но биологические последствия имеют и другие, более короткие циклы, связанные с вращением Луны.
Мировой океан на своей поверхности имеет 4 заметных утолщения (горба) водной массы. Одно из них формируется под действием сил притяжения Луны. Второй горб на океанической поверхности возникает в прямо противоположной точке Земли, но его происхождение пока не изучено. Менее выраженные утолщения водной оболочки зарегистрированы еще в двух оппозитно расположенных районах Земли. Их происхождение ученые связывают с влиянием Солнца. Эти огромные скопления воды оказывают сильнейшее влияние на биосферу нашей планеты. В отдельные моменты Луна и Солнце выстраиваются в одну линию с одной или двух сторон относительно Земли. Последствием этих космических перемен является так называемый «сизигийный прилив». Он представляет собой результат суммарного влияния на океан Солнца, Луны и Земли. В остальных районах Земли водная оболочка, естественно, утончается. Там фиксируют сильнейшие отливы. В зонах приливов и отливов биологическая жизнь подвергается серьезным испытаниям.
Важным фактором цикличности жизни выступают и лунные приливы и отливы. Вращение Земли относительно своей оси обгоняет движение массы воды в течение суток. Волны лунных приливов следуют за Луной в одном направлении. Солнечные «горбы» имеют скорость движения, равную скорости вращения Земли, т. е. они относительно Земли стоят на месте на стороне Земли, обращенной к Солнцу, и на противоположной стороне.
Описанные перемещения воды оказывают прямое физическое влияние на всех жителей океана и на все живое приливно-отливной зоны и вынуждают животных синхронизировать свою жизнь с фазами Луны.
Прямая зависимость физиологических процессов от фаз Луны прослеживается у примитивно организованных животных. Так, многие жители приливно-отливной зоны (черви, членистоногие и даже рыбы) в период отлива закапываются в песок, а во время прилива выходят в воду. Ряд многощетинковых червей размножаются только в полнолуние. Такую же привязанность к полнолунию и новолунию демонстрируют многие крабы, морские ежи, моллюски и некоторые комары.
У более высокоорганизованных животных также выявлена цикличность поведения в связи с фазами Луны. Однако эта связь внешне не выглядит столь очевидной, как у червей и других примитивных существ. Для сельди, комара Clunio sp., личинок европейского угря полнолуние служит сигналом для начала размножения (икрометания) или миграций. Такие животные не испытывают на себе прямого физического воздействия со стороны Луны, как это бывает с обитателями приливно-отливной зоны. Они используют полнолуние как внешний стимул для стимуляции эндокринно-паракриновой секреции, которая, в свою очередь, активизирует ту или иную функцию. Однако механизм влияния Луны в данном случае остается неясным. Непогода и низкая облачность (отсутствие Луны в зрительном поле) не может изменить цикличность поведения этих животных.
Известные еще древним пятна на Солнце представляют собой результат повышенной активности звезды с выбросом энергии в космическое пространство. Древние связывали образование пятен на Солнце с гневом богов и наказанием человечества. Солнце является источником ритмического излучения, которое достигает Земли и вызывает возмущение магнитного поля нашей планеты. Возникающие так называемые магнитные бури изменяют характеристики ионосферы и атмосферы Земли с последующим воздействием на биосферу. Многолетние исследования показали, что солнечная активность изменяется с периодом в 11 лет.
Ученые обнаружили связь солнечной активности с цикличностью жизни на Земле. Это проявляется в периодических засухах, потопах, колебаниях урожайности культурных растений. Б. Мур (1886) установил зависимость повторяемости эпидемий на Земле с появлением пятен на Солнце. А. Л. Чижевский в 1930-е гг. подтвердил, что последствиями изменения солнечной активности (появление пятен) в Европе были эпидемии чумы, вспышки роста численности крыс, массовое размножение вредителей растений, голод.
Современная медицина признает, что повышение солнечной активности провоцирует обострение хронических заболеваний у человека. Люди испытывают общее недомогание, головную боль, повышенную нервную возбудимость или депрессивное состояние, пониженную работоспособность. В дни магнитных бурь на 25-30% возрастает количество случаев инфаркта миокарда, инсультов как результат повышения свертываемости крови и образования спазмов коронарных сосудов. Л. И. Куприянов (1976) приводит официальную статистику, которая свидетельствует о росте числа автомобильных катастроф в Японии в дни высокой солнечной активности.
Солнечная активность отражается и на состоянии дикой природы. Поскольку с Солнцем связан фотосинтез, то изменение солнечной активности приводит к изменению роста и развития растений. Кроме того, активность Солнца изменяет и гидрологический режим (таяние снега в горах, полноводность рек, дожди), что также отражается на росте и развитии растительного покрова. Цикличность флоры напрямую определяет цикличность жизнедеятельности и численности консументов не только 1-го, но и 2-го и 3-го порядков.
Приближение и удаление Земли от Солнца является причиной смены времен года, следовательно, изменения условий жизни и питания животных. Отсюда происходит ритмичная миграционная деятельность насекомых, рыб, птиц, млекопитающих. Перелетные и кочующие птицы покидают места высиживания птенцов не столько из-за холодов, сколько по причине недоступности кормовых ресурсов в зимнее время. Правда, не всегда продолжительные миграции оправданы поисками кормовой базы. Так, нерестовые миграции рыб имеют иную мотивацию. Горбуша уходит на нерест из морских районов, богатых пищей, в реки, где она вообще перестает питаться. Тем не менее ритмичность нерестового поведения рыбы задается сменой времени года.
Воспроизводительная активность птиц и млекопитающих также имеет привязанность к активности Солнца (времени года). Эта зависимость прослеживается даже у домашних животных, у которых процесс доместификации наложил отпечаток на ритмику полового поведения, миграционную активность, пищевое поведение и обмен веществ. Тем не менее в промышленном птицеводстве фактор света используется для стимуляции яйценоскости (овогенеза). Максимальную яичную продуктивность от птицы получают при искусственном круглогодичном освещении птичника в течение 12-14 часов в сутки.
Домашние животные (лошадь, собака, свинья, кошка) превратились в полицикличных животных, хотя их дикие предки являлись моноцикличными животными или животными с половым сезоном, т. е. их половая цикличность задавалась солнечной активностью. Однако не все одомашненные виды утратили эту зависимость от Солнца. Так, овцы и козы приходят в состояние половой охоты преимущественно в конце осени — начале зимы, так что время окота у них синхронизируется с наступлением весны, т. е. появление на свет молодняка приурочено ко времени появления зеленой травы и наступлению положительных среднесуточных температур. Последнее обстоятельство актуально для выживания новорожденных в дикой природе, но теряет смысл для домашних овец и коз.
У некоторых домашних кошек и сук как наследство от диких предков имеет место моноцикличность половой активности. При этом эструс у самок проявляется в зимне-весенний период. Следовательно, появление на свет молодняка приходится на начало теплого сезона.
Помимо суточных, сезонных и годовых циклов в природе отмечены и циклы с иной периодичностью. Так, известен 27-суточный цикл. Именно за этот промежуток времени Солнце обращается вокруг своей оси. Чаще всего эта цикличность сопровождается появлением на Земле магнитных бурь с вытекающими отсюда последствиями для флоры и фауны.
У Солнца обнаружен и 6-месячный цикл активности. Он определяется тем, что наибольшее количество взрывов на Солнце происходит два раза в год: в марте-апреле и в сентябре-октябре. Доказана также 11-летняя, 22-летняя, вековая (80-90 лет) и 600-800-летняя периодичность активизации Солнца. С такой периодичностью на Земле происходят глобальные, порой катастрофичные перемены климата, погоды, сейсмической активности и, в конечном счете, биологической жизни.
Таким образом, космические причины ритмичности жизни в земных условиях очевидны. Для животных организмов космические влияния выступают в качестве весьма значимых стимулов внешней среды. Эти стимулы воспринимаются животными прямо или косвенно, суммируются и синхронизируются некоторыми внутренними механизмами. В результате как суточные, так и сезонные ритмы жизни неточно следуют за 24-часовой, 6-месячной или годовой цикличностью.
Биологические ритмы разнообразнее космических. Некоторые из биологических циклов по своей длительности и повторяемости соответствуют геофизическим циклам, а другие имеют свою собственную периодичность. В связи с этим выделяют адаптивные биологические ритмы (суточные, приливно-отливные, сезонные, годовые) со своими специфическими изменениями морфологического, биохимического, физиологического и этологического характера у животных.
Короткие циклы носят название функциональных ритмов жизнедеятельности. Они обеспечивают непрерывность жизнедеятельности организма. Сюда относятся: спонтанная электрическая активность мозга, активность проводящей системы сердца, ритмичность перистальтики, ритмичность дыхания. Кроме того, к группе функциональных ритмов можно отнести и ритмы активности отдельных клеток, а также ритмичность молекулярных процессов.
Как правило, функциональные ритмы зависят от адаптивных ритмов. Например, ритмичность работы сердца, желудочно-кишечного тракта, эндокринной и нервной систем корректируется суточными ритмами. Ночью частота сердечных сокращений и частота дыхания ниже, чем днем. Спонтанная ритмическая электрическая активность спинного мозга и ретикулярной формации ствола головного мозга максимальна в светлое время суток.
Биологические ритмы животного организма в разной мере зависят от внешних условий. По этой причине ритмы жизнедеятельности делят на экзогенные и эндогенные. Первые полностью зависят от изменений внешней среды (например, биохимические процессы). Эндогенные ритмы протекают при строго фиксированных постоянных условиях (физиологическая норма). Сюда можно отнести такие ритмы, как ритм пульса, частоты дыхания или колебания величины кровяного давления. Важным признаком эндогенных ритмов является их привязанность к суточным ритмам. Этот тип биологических ритмов принято называть биологическими часами.