Курс лекции по дисциплине хронобиология для специальности биология

Вид материала

Лекции

Содержание Хронобиологические аспекты адаптации Солнечный ритм Биоритмы головного мозга

Подобный материал:

• Рабочая программа дисциплины «хронобиология» Направление 020200 «Биология», 168.26kb.
• Курс лекции по дисциплине биофизика для специальности медико-биологическое дело, 663.76kb.
• Комплекс по дисциплине Cпециальность 050102 Биология Чебоксары, 1288.79kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Cпециальность 050102 Биология Квалификация, 1401.18kb.
• Демоверсия рабочей программы по дисциплине гсэ. В. 03 «История и методология химии», 125.06kb.
• Лекция хронобиология и хрономедицина, 252.9kb.
• Курс: III семестр: 7 Лекции: 18 часов Практические Занятия: 64 часа, 219.45kb.
• Программа (рабочий вариант) для специальности: 1-31 01 01 Биология, 1-33 01 01 Биоэкология,, 307.03kb.
• Учебная программа для высших учебных заведений по направлению 1-31 01 01 03 «Биотехнология», 359.3kb.
• Рабочая программа дисциплины Биология для студентов специальности 050607 Биология Павлодар, 375.28kb.

ХРОНОБИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АДАПТАЦИИ

Адаптация организма к влияниям окружающей среды обеспечивается прежде всего путем соответствующих колебаний функциональной активности организма, т.е. изменения скоростей биологических реакций.

С помощью современных цитологических методов раскрыта сложная система структурного обеспечения этих приспособительных функциональных изменений. Она складывается из количественных и качественных компонентов.

Качественные компоненты состоят в том, что уровню функциональной активности в которой в данный момент всегда соответствует строго эквивалентное число структур, вырабатывающих данную функцию. Один из них заключается в непрерывном варьировании числа активно функционирующих структур. По мере изменения функциональных требований к данному организму соответствующим образом изменяется и число активно функционирующих систем из числа имеющихся в норме: при повышении функциональной нагрузки в активную работу включается все большее их число, при ее снижении – число структур, отличающихся высоким уровнем биосинтеза уменьшается. Этот принцип называется асинхронной работой одноименных структур.

При длительной функциональной нагрузке:

- поперечно в активную работу вводятся все наличные структуры;

- после их гиперплазией возможностей организма в отношении расширения материальной базы той или иной функции;

- адаптационные возможности возрастают за счет широкого использования живой системой принципа дублирования структур обеспечения каждой из ее функций.

Принцип дублирования в структурах обеспеченный гомеостазом. Адаптации организма не ограничиваются тем, что та или иная функция поддерживается работой разных клеток. Он выражается еще и в том, что клетки того или иного типа выполняют не одну, а несколько функций, таким образом клетки являются полифункциональными.

Важным компонентом адаптации является временная синхронизация между начальным действием раздражителя и развертыванием гиперпластического процесса.

Не менее важно, чтобы сроки использования этих ресурсов соответствовали срокам действия физиологического раздражителя или патогенного фактора, т.е. имела место временная адекватность между действием и противодействием.

В повседневных условиях существования организм подвергается неоднократному воздействию какого-либо одного фактора среды, а нескольких, причем многократно действующих с одинаковыми или различными интервалами и чаще всего с неодинаковой силой. В результате этого организм подвергается определенному ритму воздействия, непрерывно меняющемуся по частоте и интерактивности и соответственно для сохранения гомеостаза требуется непрерывная перестройка интенсивности биосинтетических процессов, соответствие колебаний частоты и силы внешних воздействий.

В условиях ритмично действующего раздражителя организм быстро формирует соответствующий этому собственный ритм расходования и синтеза структур, поправкой на возможности гомеостаза и тем самым на нейтрализацию эффекта патогенного воздействия.

В ответ на действия патогенного фактора организм не только вырабатывает ритм реоперационной реакции но и соответствующим образом меняет этот ритм в случае изменения частоты и силы влияния определенной среды.

Например, изменение динамики синтеза ДНК клеток печени на протяжении длительного введения животным CCl₄. Сначала животным делали инъекции 1 раз в неделю, затем ежедневно, затем 2 раза в неделю. Соответственно этому учащался и урезался ритм репаративной регенерации печени, так как в морфологическом отношении сущность приспособительной перестройки биоритмов состоит в том, что при разнообразных изменениях частоты действия раздражителя интенсивность репаративной реакции каждый раз устанавливается на уровне, предотвращающем несовместимый с жизнью дефицит структур.

Если же животным вводить препарат систематически, в течение года, интенсивность регенерации не останется на каком-то более или менее постоянном уровне, а колеблется, причем с вполне определенной закономерностью, выражающейся в периодическом чередовании периодов, когда эти подъемы велики и спадов синтетической активности суточной ткани. Сопоставление ритма высоких подъемов кривой синтеза ДНК совпадала с нарастанием дистрофических изменений гепатоцитов, а фазы снижения синтеза – с ослаблением морфологических изменений в ткани печени.

Таким образом, репаративность процессов зависит не от характера токсического агента, а от механизмов, заложенных в организме и отражает особенности его действия как биологической системы. С классической точки зрения, данный процесс приобретает большое значение. Болезненный фактор является повреждающим агентом.

Динамическое понятие


СОЛНЕЧНЫЙ РИТМ


Подобно другим звездам Млечного пути Солнце представляет собой гигантский (диаметром 1391 тыс. км) вращающийся шар раскаленного газа, плотность и температура которого нарастает с глубиной. В недрах этого сгустка пылающей материи, где температура достигает 20 млн. градусов, давление – 200 млн. атмосфер, а плотность вещества в десять раз превышает плотность стали, осуществляется ядерная реакция. В ней участвуют ядра атомов, с которых сорваны электронные оболочки. Основную массу Солнце – 60% составляют ядра водорода – протоны, вступающие между собой в так называемую протон-протонную реакцию. При этом образуются более крупные ядра гелия, и выделяются колоссальные количества термоядерной энергии.

С точки зрения физика Солнце – не что иное, как колоссальный природный ядерный реактор, удаленный от Земли на сравнительно безопасное расстояние, обладающий массой 2,24 × 10²⁷ т. Этот реактор в течение миллиардов лет непрерывно перерабатывает в энергию свое собственное вещество: каждую секунду 4 млн. т. солнечного вещества рассеивается в пространстве в виде разнообразных излучений. Кроме того электромагнитных излучений – гамма-лучей, рентгеновских, ультрафиолетовых, световых, инфракрасных, радиоволн – Солнце исторгает в мировое пространство потоки электрически заряженных и нейтральных частиц различных энергий. Однако подавляющая часть всей излучаемой Солнцем энергии приходится на долю световых и инфракрасных лучей. Земле перепадают ничтожные количества солнечной энергии, менее половины одной миллиардной. Землю, неизменно сопровождающую Солнце вместе с остальными крупными и мелкими планетами солнечной системы в его космических странствиях. Солнце – центр чрезвычайно гармоничной, стройной системы планет. «Светильник мира, царствующий в центре», - так назвал его Коперник.

Масса Солнца в 740 раз больше массы сопровождающих его планет. И Земля, и Нептун, и Плутон, движущийся по периферической орбите системы, с легкостью удерживаются силами солнечного тяготения, смиряющими их порывы улететь из каждой точки своего пути по касательной в темноту бесконечного пространства.

Нас отделяет от Солнца 149,5 млн. км.

В звездных каталогах Солнце фигурирует как обычная карликовая слабопеременная звезда, потому что в некоторых диапазонах волн ее отмечается удивительное постоянство излучения. Если бы мы стали делать заключение о «режиме работы» Солнца только лишь по световому и тепловому его излучениям, то не усомнились бы в том, что Солнце – звезда постоянная! (Изменения светимости его не превышают 2%). Но в других диапазонах волн, коротковолновом и длинноволновом, интенсивность солнечной радиации периодически резко колеблется. Признаками усиления активности в работе Солнца служат появления на его поверхности так называемых центров активности: то здесь, то там вблизи его экватора выделяются светлые площадки – фотосферные факелы, покрывающиеся затем темными точками. Точки увеличиваются, растут и на протяжении нескольких дней, а то и часов, ясная до того поверхность Солнца усеивается пятнами неправильной формы. Пятна, склонные группироваться попарно, располагаются по обеим сторонам солнечного экватора. Они беспрерывно видоизменяются и движутся по солнечной поверхности, вращаясь вместе с Солнцем с запада на восток.

Отдельные пятна и группы пятен порой достигают огромных размеров, занимая площадь, в которой могли бы свободно поместиться десятки земных шаров. Пятно обычно «живет» от одного дня до нескольких месяцев и постоянно сходит на нет. Одновременно с пятнами или незадолго до того, как эти гигантские «веснушки» высыпают на чистом прежде лике Солнца, над его диском взмывают ввысь словно языки разбушевавшегося пламени огненные протуберанцы, а относительное спокойствие солнечной хромосферы нарушается гигантскими взрывами – хромосферными вспышками. В это время усиливается солнечный ветер, непрерывный поток газов, идущий от Солнца.

Из многочисленных и пестрых проявлений солнечной активности пятна первыми привлекли внимание наблюдателей еще в очень отдаленные времена. Упоминания о них встречаются в китайских летописях уже в 301 году до н.э. В своих описаниях китайцы сравнивали пятна то с куриным яйцом, то с уткой, персиком, сливой и подметили, что годы появления пятен обычно следуют подряд один за другим, а затем наступает необъяснимый перерыв в их появлении на несколько лет и даже десятков лет.

Пятна очень удобный объект для исследования, поэтому их суммарная площадь и число до последнего времени остаются критериями солнечной активности. В начале XVII века солнечные пятна заново открыли почти одновременно и независимо друг от друга сразу четверо: голландец Иоганн Гольдшмидт, известный под именем Фабрициуса, итальянцы Галилео Галилей и Христоф Шейнер, а также англичанин Томас Гарриот. Вслед за тем Галилей, а с ним одновременно Фабрициус и Шейнер установили, что полное время обращения пятен, так и обращение солнечного тела вокруг своей оси равно 27 дням.

Галилей таким образом доказал, что Солнце вращается вокруг своей оси за период около одного лунного месяца. Завязался новый спор, оказавшийся роковым для Галилей. Его едкие, саркастические замечания возбудили ненависть перипатетиков, состоящих из католического духовенства и иезуитов. В 1633 году Галилей предстал перед судом по обвинению в ереси.

Но все-таки, что же такое пятна, эти темные и сравнительно холодные образования на поверхности Солнца? Разгадали в наши дни их «великий секрет», по выражению Галилея, над которым билось немало выдающихся умов. Предположения первых наблюдателей, что пятна – планеты, ближайшие спутники Солнца, опроверг Галилей. Но и Галилей в свою очередь заблуждался. Он склонен был думать, что пятна – облака, плавающие в солнечной атмосфере. Одни ученые утверждали, что эти облака образуются после извержения солнечных вулканов, другие принимали их за вершины гор, поднявшихся над островом, лежащим на твердом солнечном ядре. Выдающийся английский астроном У. Гершель допускал, что пятна – временные отверстия в облаках, через которые виднеется центральное ядро Солнца. Его сын Д. Гершель, считал их громадными вихрями, нисходящими через атмосферу.

О пятнах спорили не день и не два. Проблема происхождения пятен эстафетой переходит от одного поколения астрономов к следующему. Довольно долго популярной оставалась вихревая теория пятен. Согласно этой теории пятна – видимые вершины гигантских внутрисолнечных вихрей.

Вихревая теория при всем правдоподобии не объясняла, однако, характерной и важной отличительной особенности пятен: их магнитных свойств. В 1908 г. Хейл обнаружил, что пятна обладают магнитным полем, напряженность которого достигает 2000-4000 гаус, в то время как напряженность магнитного поля Солнца не превышает один гаусс.

Протуберанцы принято подразделять на бурные (эруптивные), которые собственно и считались извержениями, и спокойные. Первые подвержены очень быстрым изменениям: огромные огненные струи взлетают вверх со скоростью почти в тысячу раз превышающей скорости артиллерийского снаряда и тотчас падают вниз. Спокойные протуберанцы иногда по целым неделям вьются над одним и тем же местом солнечной поверхности без заметного движения. По форме они напоминают облака, столбы дыма. Высоко поднимаясь над хромосферой, часто до 150-200 тыс. км, спокойные все же не достигают высоты бурных протуберанцев. Спокойные протуберанцы встречаются во всех областях Солнца, бурные же протуберанцы – только в средних и экваториальных областях, т.е. в зоне солнечных пятен и зачастую вблизи пятен, с которыми они имеют тесную связь.

В периоды солнечных максимумов резко изменяется и корона Солнца. До того сплющенная и сжатая, она расправляется, принимает округлую форму. Ее протяженность на всех гелиографических широтах становится примерно одинаковой.

Солнцу сейчас примерно 4,5-6 млрд. лет. Земле столько же. Жизнь на планете, по-видимому, зародилась около 3 миллиардов лет назад. Первобытные люди появились около 1,5 млн. лет назад, а «человек разумный» существует всего лишь 25 тыс. лет.

Земля – плоть от плоти Солнца. Вот уже свыше 4 млрд. лет они неразлучно путешествуют по Вселенной. Многое пришлось пережить Солнцу и Земле на галактических поворотах. И если на беспрестанно меняющимся лике звезды время не смогло оставить никаких следов, то пертурбации в деятельности Солнца отразились на облике его верной спутницы. То там, то здесь наука находит и расшифровывает автографы, оставленные некогда на лице планеты солнечным лучом. Главной особенностью развития нашей планеты оказывается цикличность.

Цикличность в развитии Земли – указание на цикличность в деятельности самого Солнца. Как сейчас, так и в прошлом, подобно многим явлениям природы, деятельность Солнца протекла, хотя мы не знаем, а можем лишь догадываться.

Почему активность Солнца исподволь нарастает, постепенно доходит до максимума, а затем ослабевает? Каким образом возникают следующие друг за другом циклы солнечной активности?

Закон периодичности и «в работе Солнца» был открыт в прошлом столетии канонником Генрихом Швабе из Дессау. Располагая небольшим, скромным телескопом, Швабе методически в течение 43 лет ежедневно регистрировал расположение солнечных пятен. И благодаря феноменальной целеустремленности он сумел подметить то, что ускользало от внимания менее скрупулезных наблюдателей: изменения в числе солнечных пятен наступают периодически.

Вслед за канонником Швабе систематизацией наблюдений за колебаниями в проявлениях солнечной активности занялся астроном из Берна Рудольф Вольф. Он установил вехи солнечной деятельности, ее максимумы и минимумы, начиная с 1610 года и ввел полный период пятнообразования. Работы Вольфа, продолженные после его смерти Вольфером, привели к выводу, что основной, наиболее отчетливо выраженный период солнечной деятельности равен в среднем 11 годам. Отклонение – уменьшение или увеличение этого срока достигают нескольких лет. Позже были, кроме того, описаны десятки других циклов, величина которых варьировала от месяцев до миллионов лет. Поэтому точнее деятельность Солнца следует назвать не просто «цикличной», а «многоцикличной».

Основной цикл солнечной деятельности только приблизительно составляет 11 лет. В действительности же продолжительность его достигает иногда 16, а иногда 17 лет. Назревание максимума, его продолжительности и упадок не измеряются определенными сроками, а всякий раз варьируют, вследствие пока еще неизвестных причин. Поэтому при установлении и тем более попытках предсказать состояние Солнца в какой-либо точке периода необходима чрезвычайная осмотрительность. Переломы в деятельности Солнца, знаменующие собой точки наивысшего подъема и наименьшего падения, могут быть названы с точностью лишь через несколько месяцев, а иногда и годы спустя путем сличения с данными солнечной деятельности за более или менее продолжительный срок.

Кроме 11-летнего цикла Вольф допускал существование 22-23-летней цикличности в работе Солнца. По мнению Тернера, два 11,5-летних цикла, складываясь, дают один 23-летний цикл. Исследовав знаки магнитной полярности 2000 групп пятен с 1908 по 1926 год, Хейл с сотрудниками обнаружил, что при переходе от одного 11-летнего цикла к другому группы меняют (за малым исключением) знаки магнитной полярности. Таким образом, магнитные характеристики двух соседствующих 11-летних циклов не сходны друг с другом и как бы подтверждают, что правильнее измерять период солнечной активности двадцатью двумя годами вместо одиннадцати: 22-летниц период вполне можно назвать «магнитным периодом солнечных пятен». Этот длинный период, Вольф определил его продолжительность в 55,5 года, другие в 60 лет (Юнг), в 72 года (А. Ганский), 35 лет (Хоньер), 33,37 года – «цикл трети века» (Шустер и Лицнар).

В 1889 году Вольф на основании данных китайских и средневековых летописей вычислил ряд больших периодов, включающих 11-летние периоды – 83,33 и 66,67 года. Эти периоды были сопоставлены Вольфом с датами из китайских, русских, западноевропейских и армянских источников. В результате получилась чрезвычайно интересная таблица. Все в ней говорит за то, что максимум активности Солнца повторяется примерно через каждые 83,33 года.

Итак, на крупные гребни волн активности наслаиваются более мелкие! Найдены двух-, трех-, четырех- и шестилетние циклы. Общеизвестны 11-летнице циклы. Явно выражены циклы 22,33 и 80 лет. Нельзя сбрасывать со счета 169, 400 и 600 летние и более продолжительные циклы, кажущиеся нам столь долгими и составляющие в жизни звезды лишь мгновение.

В дальнейшем из множества мелких, более крупных и чрезвычайно продолжительных циклов нас будет интересовать в основном 11-летний – наиболее выраженный и «наглядный» цикл в деятельности Солнца, наиболее очевидный для наблюдателя.

Земля, как уже говорилось, находится в сфере непосредственного влияния Солнца. Его лучистая энергия – основной двигатель всех физико-химических процессов, протекающих на поверхности планеты и ее оболочках. Понятно, что каждый взлет солнечной активности эхом прокатывается по всем «земным этажам». Могучее прерывистое дыхание Солнца беспрестанно возмущает спокойствие земного магнитного поля, нарушает стабильность опоясывающих ее радиационных поясов, волнует распростертую на сотни тысяч километров вокруг Земли атмосферу, передается гидросфере, поверхностным слоям литосферы, сказывается даже на скорости вращения Земли. Если мы совершим мысленный спуск от верхних слоев атмосферы к твердой поверхности Земли, перешагивая по слоям – экзосфере, тропосфере, - как по ступеням, то на каждой ступени непременно обнаружатся многочисленные проявления солнечно-земного единства, показывающие, что нас с Солнцем разделяет лишь воображаемая граница.


БИОРИТМЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА


В связи с ведущей ролью головного мозга в регуляции и координации деятельности различных функциональных особенностей организма:

- изучение роли отдельных структур головного мозга в формировании биоритмологического статуса;

- исследование изменений временной организации различных органов и систем организма;

- анализ периодичности неврологических заболеваний.

Цикл сон-бодрствование является одним из основных эволюционно сформировавшихся адаптационных циклов. Цикл сон-бодрствование – один из наиболее четко прослеживаемых биоритмов, сформировавшихся и закрепленных в процессе эволюции. Будучи тесно связанным с чередованием дня и ночи, он состоит из двух основных состояний – бодрствование (у человека) в светлое и сон – в темное время суток. Все попытки изменить стереотипный для данного человека суточный ритм сна и бодрствования обязательно приводят к появлению десинхроноза, одним из обязательных компонентов которого является снижение работоспособности, плохое самочувствие и другие расстройства. Предоставленный себе испытуемый, лишенный внешних датчиков времени и привычной смены освещенности, даже при отсутствии социальных датчиков времени в конечном итоге выбирает близкий к суточному режиму бодрствования и сна. Это свидетельствует о прочности механизмов, реализующих данный биоритм, и важности его для организма.

Еще менее однородным является сон. После важнейшего открытия Клейтмана и Вершинского сон подразделяют на две фазы: фаза медленного сна и фаза быстрого сна. В свою очередь в фазе медленного сна выделяют 4 стадии. Таким образом можно выделить следующие функциональные состояния сна: дремота (1-я стадия медленного сна), неглубокий медленный сон (2-я стадия медленного сна), глубокий медленный сон (3-я и 4-я стадии медленного сна) и быстрый сон. Если в стадии дремоты исчезает α-ритм, то характерной особенностью поверхностного медленного сна является появление σ-ритма («сонные веретена»), а в глубоком медленном сне δ-волн (высокоамплитудные медленные волны). Постепенно от 1-й к 4-й стадии снижается мышечный тонус, урежается частота сердечных сокращений и дыхания…


ЭЭГ характеризуется такими основными показателями, как частота, амплитуда и фаза колебаний. Для трактовки физиологического значения тех или иных изменений ЭЭГ в норме и при патологии можно оценивать форму биопотенциалов, их устойчивость, пространственно-временные параметры. ЭЭГ выделяют следующие основные физиологические ритмы с диапазонами частот: 1-3 Гц – дельта (Δ); 4-7 Гц – тета (θ); 8-13 Гц – альфа (α), 14-20 Гц – низкий бета (β_н); 20-30 – высокий бета (β_в); свыше 30 Гц – гамма (γ).

Кроме того, известны регистрируемые в определенных условиях роландический, или мю (μ) - , и каппа (κ) – ритмы, частота которых находится в пределах α-диапазона.

Наиболее характерным, основным в ЭЭГ здорового человека является α-ритм, имеющий амплитуду в диапазоне 45-70 мкв, двухфазный характер и синусоидную форму. Наибольшую выраженность α-ритм имеет в затылочных, затылочно-височных и затылочно-теменных областях головного мозга в состоянии относительного покоя обследуемого при закрытых глазах и расслаблении мышц. У 75-90% здоровых лиц α-ритм является доминирующим, у остальных здоровых лиц он может иметь уменьшенную амплитуду и не превышать выраженность других частотных компонентов. Открывание глаз во время регистрации ЭЭГ, кратковременное световое раздражение вызывают четкую реакцию десинхронизации α-ритма, которую ранее называли блокадой или депрессией α-ритма.

В норме на ЭЭГ, кроме α-ритма, выявляются и другие частотные компоненты, более частые и более медленные, чем α-ритм.