Суточные ритмы человека: Суточные ритмы человека . Биологические часы .
БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ • Большая российская энциклопедия
БИОЛОГИ́ЧЕСКИЕ РИ́ТМЫ (биоритмы), периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологич. процессов и явлений. Под Б. р. в широком смысле понимают все циклич. процессы, протекающие в живых системах разного уровня организации. Периоды этих циклов варьируют от миллисекундных колебаний нейрональной активности до многолетних вариаций динамики популяций. Среди них выделяют т. н. рабочие, или физиологические, ритмы, которые являются необходимым условием функционирования биологич. систем (напр., ритмы дыхания и сокращений сердца). Их частоты определяются как физико-химич. особенностями ритмически работающих органов, так и потребностями организма. Так, во время сна сердечный ритм человека обычно составляет от 40 до 90 ударов в минуту, а при интенсивной физич. работе может возрастать до 200 и более ударов. Кроме того, всем живым организмам свойственны колебания, периоды которых равны осн. геофизич. циклам, обусловленным вращением Земли вокруг собств. оси (суточный ритм) и вокруг Солнца (годовой, или сезонный, ритм). Мн. виды организмов реагируют на изменения ночной освещённости, связанной с фазами Луны, а активность обитателей морского побережья подчиняется также ритмам приливов и отливов. Такие Б. р. называют адаптивными, т. к. они направлены на координацию жизнедеятельности организмов при колебаниях абиотических и биотических параметров среды. Напр., у растений ритмы фотосинтеза непосредственно определяются чередованием светлого и тёмного времени суток (фотопериодом). Ночная активность, характерная для мн. видов грызунов, повышает вероятность их выживания в условиях пресса хищников.
Благодаря годовым ритмам, особенно значимым в условиях резко континентального климата, растения и животные могут заблаговременно подготовиться к изменению погодных условий, напр. к зимнему похолоданию. При этом одни из них залегают в спячку (сурки, суслики), у других уплотняется меховой покров и усиливается способность к термогенезу (лисицы, белки, хомячки и др.), у третьих происходит накопление во внеклеточной жидкости веществ, предотвращающих её замерзание при минусовых темп-рах (лягушки, улитки, некоторые виды растений и др.).
Б. р. не являются простым отражением колебаний условий во внешней среде. Растения, животные или микроорганизмы, изолированные от осн. геофизич. циклов («датчиков времени»), сохраняют в течение длительного времени присущую им ритмич. активность. Однако наблюдаемые в условиях изоляции периоды свободнотекущих ритмов близки, но не равны внешним циклам. Из-за этого несовпадения Б. р. получили назв. «циркаритмы» (от лат. circa – около). Соответственно колебания с периодом близким к 24 часам называются околосуточными или циркадными (от лат. dies – день) ритмами, а с периодом близким к 12 месяцам – окологодовыми или цирканнуальными (от лат. annual – год) ритмами. Устойчивое отклонение периодов свободнотекущих ритмов от внешних циклов служит гл. аргументом в пользу их эндогенной природы. С этих позиций суточные, годовые (сезонные), лунные и приливные колебания функций организма рассматриваются как результат синхронизации биологич. часов внешними циклич. процессами, среди которых ведущую роль играет фотопериод.
Периоды свободнотекущих ритмов могут не совпадать у разных систем организма. Так, у людей, изолированных от внешних датчиков времени, периоды колебаний темп-ры тела, выведения калия и гормонов коры надпочечников с мочой в ср. равны 25 часам. В то же время периоды ритмов сна и бодрствования, выведения кальция и натрия с мочой у 1/3 людей могут либо превышать 40 часов, либо быть короче 20 часов. Это свидетельствует о способности отд. систем организма к самостоят. генерации циклов. Представления о множественной локализации биологич. часов с циркадным периодом подкреплены исследованиями изолированных органов (надпочечники, сердце, печень и др.), сохраняющих ритмич. активность в течение нескольких суток вне организма. Но даже у одноклеточной водоросли Gonialax poliedra периоды свободнотекущих ритмов хемолюминисценции и передвижения могут не совпадать друг с другом, т. е. отд. клетка также обладает несколькими часами.
Рис. 1. Циркадная организация млекопитающих и человека. Центральные биологические часы в супрахиазматических ядрах (СХЯ) гипоталамуса благодаря нервным (вегетативная нервная система, ВНС) и эндокринны. ..
Пока детально изучены лишь механизмы эндогенных околосуточных ритмов. Их молекулярно-генетич. основу составляют внутриклеточные системы с отрицательной обратной связью, в которых полный цикл – экспрессия специализир. генов биологич. часов (т. н. часовых генов), подавление их активности собственными белковыми продуктами и последующая деградация белков – занимает ок. 24 часов. Дополнительные контуры обратной связи, регулирующие образование факторов транскрипции, дающих начало следующему циклу, стабилизируют работу биологич. часов. Периоды свободнотекущих ритмов остаются неизменными в широком диапазоне температур даже у одноклеточных организмов. Так, цианобактерии сохраняют ритм обменных процессов близкий к 25 часам при вариациях темп-ры от 30 до 60 °C.
На основе внутриклеточных биологич. часов формируются циркадные ритмы отд. органов многоклеточного организма. Их ритмич. активность координируется центр. водителями ритма. У млекопитающих и человека роль центр. часов выполняют супрахиазматические ядра (СХЯ) гипоталамуса, которые связаны с вегетативными нервными ганглиями и эпифизом (рис. 1). Гормон эпифиза мелатонин синхронизирует экспрессию часовых генов в разл. отделах нейроэндокринной системы и совместно с нейромедиаторами и гормонами желёз внутренней секреции обеспечивает координацию ритмич. процессов, которая проявляется в упорядоченном чередовании подъёмов и спадов функциональной активности разл. систем организма. Так, перед пробуждением после сна происходит всплеск секреции гормонов коры надпочечников (кортизола и кортикостерона), играющих ключевую роль в энергетич. обеспечении физич. активности во время бодрствования, а увеличение секреции гормона роста, наблюдаемое в первой половине сна, стимулирует синтез белков, что необходимо для восстановления организма во время отдыха.
Рис. 2. У полярников в Антарктиде суточные ритмы температуры тела (А) и сила сердечных сокращений (В) реагируют на изменения фотопериода, а ритмы концентрации кортизола в слюне (Б) и частота пульса (Г…
Ход биологич. часов настраивается внешними циклич. процессами и, прежде всего, фотопериодом. У млекопитающих, включая человека, в фотопериодич. синхронизации Б. р. участвуют зрительные рецепторы, реагирующие на освещённость. Сигналы от них передаются к СХЯ гипоталамуса и далее к эпифизу. Свет подавляет секрецию мелатонина, который выделяется эпифизом исключительно в ночные часы, независимо от того, к какому времени суток приурочены сон или бодрствование конкретного вида животных. Благодаря влиянию на экспрессию генов биологич. часов мелатонин с одинаковым успехом синхронизирует циркадные ритмы ночных животных (мыши, крысы), у которых вечерний подъём активности совпадает с повышением концентрации гормона, и ритмы дневных видов (люди, обезьяны), у которых активность повышается утром при снижении его уровня.
Мелатонин используется позвоночными животными и для синхронизации цирканнуальных ритмов жизнедеятельности, поскольку из всего многообразия сезонных феноменов именно изменения фотопериода являются наиболее надёжным индикатором времени года. При этом не столько количество мелатонина, сколько продолжительность его ночной секреции определяют сезонные морфофизиологич. преобразования, характер которых, в свою очередь, определяется образом жизни, свойственным определённому виду. Напр., осеннее увеличение ночной активности эпифиза стимулирует генеративную функцию у копытных, но подавляет её у грызунов.
Наряду с фотопериодом в синхронизации суточных ритмов участвуют и др. периодич. процессы, напр. у млекопитающих нарушение ритмов активности, вызванное разрушением СХЯ, восстанавливается при периодич. приёме пищи. Биологич. часы, координирующие работу разных органов, отличаются по способности к восприятию синхронизирующего влияния внешних «датчиков времени» разл. природы. В результате этого циркадная организация физиологич. процессов существенно меняется при быстром перемещении в новый часовой пояс, при сменной работе, при сезонных изменениях фотопериода, что особенно важно для жителей полярных районов (рис. 2). Наблюдаемые при этом отклонения в последовательности подъёмов и спадов Б. р. разл. систем организма (десинхроноз) отрицательно сказываются на работоспособности и сопротивляемости организма негативному влиянию разл. патогенных факторов. Наука, изучающая Б. р., – биоритмология, или хронобиология.
Ритмы здоровья младших школьников
Состояние любого живого организма на нашей планете меняется в течение суток, день ото дня, из месяца в месяц и год от года. Ритмические колебания в живых организмах называются биологические ритмы. Их изучает специальная наука — биоритмология или хронобиология.
Человек — один из главных объектов исследования для этой науки. Так, температура тела, частота пульса, уровень артериального давления и многие другие показатели состояния человеческого организма все время меняются. На протяжении суток эти изменения составляют полный цикл колебаний, который называется суточный ритм. Около 300 функций человека меняются в суточном ритме. А это значит, что меняется состояние всего организма, его способность отвечать на воздействие факторов внешней Среды, а также способность выполнять различную работу.
Как же формируются биологические ритмы?
По-разному. В значительной степени это зависит от природы. Смена дня и ночи и связанные с нею колебания освещенности, температуры и влажности воздуха действовали на обитателей Земли с самого начала биологической эволюции. Поэтому суточные ритмы физиологических функций самые устойчивые.
Годовой ритм существенно зависит от того, где живет человек — в средних широтах с отчетливой сменой времен года, на экваторе или далеком Севере.
А вот неделя — это ритм не биологический, а социальный, он привнесен человеком, а не природой. И, тем не менее, в процессе учения или труда человеческий организм понемногу настраивается именно на такой цикл деятельности, и в течение недели в нем происходят определенные изменения. Так, в рабочие дни организм более активен, особенно во вторник и среду, а в выходные дни менее.
Недельный ритм поддается перестройке, что происходит, например, когда меняется режим труда или учебных занятий. Однако происходит это постепенно, так как раз сложившись, он обретает устойчивость. Если это свойство такого “молодого” ритма, то тем более это относится к суточному и годовому ритмам.
Об устойчивости биологических ритмов нельзя забывать при организации любой деятельности человека. Успех в работе и учебе возможен только тогда, когда чередование периодов работы и отдыха соответствует биоритмам физиологических функций.
Как же формируются биологические ритмы у детей? Отличаются ли они от ритмов взрослого человека? Можно ли распространять на детей те рекомендации, которые ученые дают взрослым?
После появления на свет младенца, ритмы его различных физиологических функций устанавливаются не одновременно, они рассогласованы друг с другом. Суточные колебания аминокислот в крови (из них состоят белки тела), отмечены у младенцев уже на 4-й день после рождения. Ритм температуры тела начинает устанавливаться на 2-3-ей неделе — с более высокими значениями днем и более низкими ночью. Ритм пульса формируется на 4-й-20-й неделе.
Чем меньше ребенок, тем больше отличается его организм от организма взрослого.
Не все функции малыша подчинены суточному ритму, некоторые из них совершают полный цикл гораздо быстрее. Так, сон у новорожденного и грудного ребенка сменяется бодрствованием несколько раз в сутки.
Только к 1-1,5 годам такой ритм сон-бодрствование сменяется на двухфазный ритм, т.е. в этом возрасте ребенок спит 2 раза в сутки и 2 раза бодрствует.
Есть дети, которые очень рано перестают спать днем, тогда как другие даже в младшем школьном возрасте нуждаются в дневном сне. Беспокоиться в таком случае не стоит. Это индивидуальные особенности детей.
Трудно засыпает днем тот ребенок, в организме которого не происходит снижения уровня физиологических функций необходимого для периода сна.
Насильно заставлять спать такого ребенка не надо. Лучше заменить сон тихим отдыхом. Но если ребенок в первом или даже во втором классе нуждается в дневном сне, то необходимо для этого создать все условия.
Таким образом, развитие у детей ритма сон-бодрствование, а также ритмов других функций протекает индивидуально, и зависит это от наследственности, скорости развития нервной системы и влияния окружающей среды.
К моменту поступления ребенка в школу, ритмы его физиологических функций уже вполне сложились и определяют изменения его работоспособности. Так, наиболее высокая работоспособность у школьников отмечается с 9 до 11 часов утра.
С возрастом биологические ритмы совершенствуются: быстрее достигается и дольше удерживается высокий уровень работоспособности. К тем часам, когда работоспособность достигает максимума, должна быть приурочена наиболее интенсивная умственная работа детей. Учителя это знают, поэтому такие трудные предметы, как математика, физика обычно стоят в расписании вторым-третьим уроком.
Домашние задания желательно выполнять в послеобеденные часы, во время второго подъема работоспособности. Поэтому не стоит требовать, чтобы младший школьник ждал возвращения с работы мамы или папы и в их присутствии садился за уроки. В вечерние часы можно лишь проверить, как Ваш сын или дочь выполнили задания, повторить пройденное, но систематически учить уроки после 18 часов вечера младшим школьникам не рекомендуется. Поздние занятия с постоянным напряжением малоэффективны, а здоровью могут принести большой вред.
В детском возрасте биологические ритмы еще малоустойчивы и легко изменяются. Перенесенный грипп, ангина или другое заболевание часто нарушают их. Часто биологические ритмы оказываются измененными у детей с хроническими заболеваниями, такими как тонзиллит, бронхит, туберкулезная интоксикация и т.д. А ведь от суточных ритмов зависит и здоровье, и школьные успехи. В связи с этим совершенно необходимо всячески содействовать тому, чтобы суточные ритмы были устойчивы. Для этого надо всеми силами стараться поменьше сбивать их неупорядоченностью жизни. Значит, нужен строгий режим дня. Школьник должен ложиться спать и просыпаться в одно и то же время (с отклонениями в пределах 15 минут).
Родители часто спрашивают, надо ли будить школьника, если он не проснулся утром в положенное время. Да, его нужно осторожно разбудить. После этого ребенок пусть немного (3-5 минут) полежит в постели, так как резкий переход от сна к бодрствованию вреден, но и долго оставаться в постели не рекомендуется.
Изо дня в день в одни и те же часы нужно завтракать, обедать и ужинать. Готовить домашние уроки в часы наибольшей работоспособности.
При несовпадении ритмов работы с ритмами физиологических функций развивается болезненное состояние — десинхроноз. Даже двухчасовой сдвиг во времени приводит к десинхронозу. Если сегодня, например, Ваш ребенок лег спать в 9 часов вечера, а завтра ляжет в 11, то налицо уже двухчасовой сдвиг. Чтобы выспаться такому ребенку надо встать на 2 часа позже. Это возможно во время каникул и по выходным дням, но в этом случае ритмы физиологических функций начнут сдвигаться на 2 часа назад. Если же на следующий день надо идти в школу, то вновь появляется необходимость перестройки суточных ритмов, но уже на 2 часа вперед.
Школьник должен уметь продуктивно работать и долго сохранять устойчивый уровень внимания. Это легко, если он занимается ежедневно в одни и те же часы, совпадающие с периодом высокой работоспособности. Если же школьник готовит уроки в разное время дня, то одинаковое по трудности и объему задание он выполняет значительно медленнее.
Отдых тоже подчинен ритму. Дети младшего школьного возраста более подвижны с 8 до 9 часов утра, с 12 до 15 часов дня и с 6 до 7 часов вечера. Эти часы целесообразно отвести для активного отдыха.
Привычка к 3-4-х разовому питанию в сутки так же отражает биоритм потребностей человека в пище. Пищеварительной системе тоже свойствен свой ритм работы: ночью она отдыхает, к утру ее активность повышается и достигает максимума днем, далее постепенно снижается к вечеру.
Поэтому для школьников рекомендуется примерно такой режим питания: завтрак — 25% всего рациона, школьный завтрак – 15 — 20%, обед — 35-40% и ужин — 20%.
Ужин должен быть за 1,5-2 часа до сна. На ужин готовят легкие блюда. Наедаться до полного насыщения за ужином не рекомендуется.
Таким образом, правильно построенный режим дня, включающий учебные занятия в школе, домашние уроки, игры и развлечения на свежем воздухе, художественные занятия, четырехразовое питание и домашний сон — это не выдумка врачей, а необходимость, обусловленная законом функционирования нашего организма.
К сожалению, к режиму дня многие относятся плохо. Почти 70% опрошенных детей спят на час меньше положенной нормы, на 1,5-2 часа сокращен сон каждого шестого ребенка. Дети 7-ми лет должны спать 11-12 часов.
Чаще всего нерационально построен режим дня учащихся 1-х классов, так как первоклассники еще не научились правильно распределять время и продуктивно работать.
При нарушении режима у школьников снижается аппетит, появляются головные боли, запоры. Эти дети обычно бледны, менее жизнерадостны, часто болеют.
Чрезмерная нагрузка и отсутствие чередования умственного труда и отдыха ведут к умственному переутомлению. Дети становятся возбудимыми, раздражительными, капризными, плаксивыми, малообщительными, плохо усваивают школьный материал.
Постепенно в результате умственного переутомления ослабляется весь организм, вплоть до тяжелых нервно-психических состояний.
У взрослых людей существуют индивидуальные склонности к работе либо утром (это так называемые “жаворонки”), либо вечером (“совы”). Тот или иной суточный ритм работы начинает складываться в старших классах или на 1-м курсе института, т.е. в 16-18 лет. В этом возрасте ритмы физиологических функций стабилизируются и приближаются к ритмам взрослых.
Мы уже говорили, что существует недельный ритм работоспособности школьников. В Понедельник она невелика: за воскресенье дети “выключились” из работы, и им нужно определенное время, чтобы в нее втянуться. Во вторник и среду работоспособность высокая, хотя в среду уже несколько ниже, чем во Вторник. В Четверг она еще ниже и так постепенно снижается до конца недели. Недельный ритм учитывают педагоги при составлении расписания. Но его нужно учитывать и дома. Хорошая прогулка в выходной день — с выездом за город, с горячим питанием — даст ребятам запас бодрости на предстоящую неделю.
Волнообразные колебания функционального состояния школьников на протяжении года определяются взаимодействием двух внешних факторов: биологического (времена года) и социального (структура учебных занятий).
В первые дни осени работоспособность детей невелика. Они еще не втянулись в занятия после лета. Привыкание к учебной нагрузке в первом классе длится почти 2 месяца.
В ноябре работоспособность становится высокой, затем держится более или менее на одном уровне, а с января по март начинает постепенно снижаться.
С началом весенних дней дети, казалось бы, вновь становятся более активными и подвижными. Однако, весна не самое благоприятное время года. В это время сказывается снижение содержания витаминов в пище, а также повышенная возбудимость нервной системы.
Сезонные ритмы — это реальность, которую необходимо учитывать в организации жизни детей.
Далеко не все секреты биологических ритмов изучены. Учителя жалуются, что весь класс, вдруг, плохо работает, даже лучшие ученики рассеяны и невнимательны. Что это? Возможно, эти явления связаны с ритмами Солнца.
Основоположник гелиобиологии А.Л.Чижевский и его последователи изучили множество явлений в растительном и животном мире, связанных с периодичностью в деятельности Солнца. Были выделены 27-мидневные (период обращения Солнца вокруг своей оси), 5-6-ти и 11-тилетние циклы повышения солнечной активности. В эти дни в организме меняются различные физико-химические процессы. Именно в такие дни происходит больше автомобильных катастроф, аварий и несчастных случаев, а также ухудшение состояния людей, имеющих заболевания сердечно-сосудистой системы.
Для здорового ребенка повышение солнечной активности не опасно. А снижение внимания на уроках и уменьшение производительности умственного труда в такие дни можно свести к минимуму, если ребенок привык трудиться и жить по подходящему для него распорядку дня. А каков же подходящий для Вашего ребенка распорядок дня?
Чтобы определить это, понаблюдайте за тем, как и когда наиболее успешно работает Ваш ребенок.