Принцип работы эндогенных биологических ритмов человека

Статья посвящена работе циркадных ритмов - эндогенных биологических ритмов с периодом около 24 часов, свойственных большинству организмов, в том числе человеку. Перед вами обзор новейших научных исследований, а не сборник полезных советов, хотя в статье действительно идет речь о потенциальном изменении образа жизни. Данный обзор не является исчерпывающим, мы будем продолжать обновлять его по мере появления новых научных исследований.

Главное:

→ Последовательная и здоровая работа циркадных ритмов может помочь улучшить общее состояние здоровья, а также стать эффективной профилактикой хронических заболеваний.
→ Не забывайте про сон: на работу циркадных ритмов влияют питание, физические упражнения и другие факторы.
→ Изучите особенности работы циркадных ритмов, определите свой "хронотип", затем примените полученные знания к методическим рекомендациям, указанным в научных исследованиях.

Прежде чем включать в распорядок дня любой совет из данной статьи, проконсультируйтесь со своим лечащим врачом.

Перед прочтением статьи: краткий глоссарий

  1. Циркадный: повторяющийся естественным образом цикл с периодом около 24-часов, вне зависимости от продолжительности светового дня; от латинского circa ("о") и diem ("день"). 
  2. Датчик ритма: сигнал окружающей среды, например, изменение света или температуры; от немецкого zeit («время») и geber («дающий»). 
  3. Эндогенный: патологический процесс в организме, обусловленный внутренними факторами, а не вызванный внешними воздействиями (первопричина). 
  4. Подгонка суточного ритма: происходит, когда ритмические, физиологические или поведенческие задачи соответствуют изменениям окружающей среды; взаимодействие циркадных ритмов с окружающей средой. 
  5. Суточный: каждодневный; от латинского dies («день») и  and diurnus («ежедневно»). 
  6. Мастер-часы: пара клеточных популяций, обнаружена в гипоталамусе, также известна как супрахиазматическое ядро (SCN); Эти клетки содержат гены, которые управляют џиркадными ритмами. 
  7. Мутантный ген: постоянное изменение последовательности ДНК; используется хронобиологами для распознавания механизма работы часовых генов путем идентификации мутантного гена у животных с аритмическим циркадным синдромом.

Представьте растение, которое пытается провести процесс фотосинтеза ночью: короткая драма в темноте. “Растения имеют дело с жизнью и смертью,” — мрачно сообщает Салли Ю, доцент кафедры биохимии и клеточной биологии в Центре медицинских наук Техасского университета в Хьюстоне (UTHealth). “Если они не будут следовать циркадным ритмам, то умрут.” Но для человека прогноз будет не таким мрачным. “Даже если удалить часовой ген (важный ген, регулирующий работу циркадных ритмов), вы умрете не сразу”, — говорит Ю. “Но вы будете страдать.” Вероятные проблемы? Постоянные психологические проблемы и, среди прочего, повышенный риск возникновения хронических заболеваний. Жизнь трудна, когда все не синхронизировано.

Коллега Ю, Джейк Чен, доцент той же кафедры, рассказывает иначе: “Мы часто говорим, что все нужно делать по расписанию. Но это преувеличение. А вот фраза "всему свое время" нет. И это напрямую относится к человеческому телу. В каждой отдельной клетке, ткани или органе физиологические процессы происходят в определенное время. Биологические часы это своего рода таймер — механизм, с помощью которого мы можем убедиться, что все исправно работает. Это фундаментальная функция.”

Чен и Ю изучают циркадные ритмы - биологические ритмы организма с периодом около 24 часов, которым ежедневно следуют все живые существа на нашей планете. Циркадные ритмы или суточные ритмы напрямую связаны с миллионами лет развития жизни на нашей планете. Это продукт взаимодействия внутренних биологических часов организма и окружающей среды — не только солнечный свет, но и многие другие факторы определяют поведение, регулируют уровень гормонов, сон, температуру тела и метаболизм.

Так называемые "мастер-часы” или супрахиазматическое ядро (SCN) — главные часы, управляющие циркадными ритмами. Представляют из себя пару клеточных популяций, заполненных генами (включая Clock, Npas2, Bmal, Per1, Per2, Per3, Cry1, and Cry2), расположены в гипоталамусе. На молекулярном уровне следы часовых генов встречаются в почках, печени, поджелудочной железе и других органах. SCN выступает в качестве генерального директора, инструктируя тело придерживаться графика и обрабатывать сигналы окружающей среды. (Кратко ознакомиться с механизмом работы SCN можно в интерактивной анимации Медицинского института Говарда Хьюза.)

Как мы увидим позже, внимательное отношение к суточным ритмам улучшает ежедневную (физиологическую и психологическую) работу организма и, в конечном итоге, влияет на состояние здоровья, как в долгосрочной, так и в краткосрочной перспективе. Забота о суточных ритмах поддерживает их работу, сохраняя то, что Салли Ю называет «надежными часами».

“Я не могу точно сказать, насколько важна работа циркадных ритмов для профилактики хронических заболеваний, какое влияние оказывает на здоровье в долгосрочной перспективе, приносит ли пользу и влияет ли в конечном итоге на продолжительность жизни».

Информация об экспертах:
Ученый: Чжэн "Джейк" Чен

Образование: Кандидат наук, Колумбийский университет, Нью-Йорк

Должность: доцент кафедры биохимии и клеточной биологии в Центре медицинских наук Техасского университета в Хьюстоне

Последняя опубликованная статья: The small molecule Nobiletin targets the molecular oscillator to enhance circadian rhythms and protect against metabolic syndrome.

Область исследований: Small molecule probes for chronobiology and medicine.
Ученый: Сын Хи "Салли" Ю
Образование: Кандидат наук, Корейский институт науки и технологий
Должность: Доцент кафедры биохимии и клеточной биологии в Центре медицинских наук Техасского университета в Хьюстоне
Последняя опубликованная статья: Period2 3'-UTR and microRNA-24 regulate circadian rhythms by repressing PERIOD2 protein accumulation.Также Development and Therapeutic Potential of Small-Molecule Modulators of Circadian Systems.
Область исследований: Fundamental cellular mechanisms in circadian rhythms and deciphering physiological and pathological roles of the clock.

ИСТОРИЯ: ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ЦИРКАДНЫХ РИТМОВ

Первое, что нужно знать об исследовании суточных ритмов (этим занимаются хронобиологи) является то, что за редкими исключениями все организмы следуют своим циркадным ритмам. От нарциссов до воробьев, от зебр до людей, практически все живые организмы на планете следуют солнечному циклу. В 1729 году французский ученый Жан-Жак де Меран записал первое наблюдение эндогенных или встроенных суточных движений листьев растения Mimosa pudica. Даже в полной темноте растение продолжало следовать своему ежедневному ритму. Ученый пришел к выводу, что растение полагается не только на внешние сигналы или датчик ритма, но так же на свои собственные внутренние биологические часы.

Расцвет хронобиологии наступил двести лет спустя, в середине 20-го века. Сказался вклад ряда ученых, в частности Колина Питтендри "отца биологических часов". Питтендри изучал плодовых мушек или Drosophila и пролил свет на то, как циркадные ритмы взаимодействуют или синхронизируются с циклом дня и ночи. Юрген Ашофф, друг Питтендри, также изучал взаимодействие с циклом дня и ночи, но ученые пришли к разным выводам о том, как происходит взаимодействие (параметрическое и непараметрическое, подробнее прочитать об этом можно здесь и здесь). Джон Вудленд Хастингс и его коллеги совершили фундаментальные открытия о роли света в работе циркадных ритмов, изучая биолюминесцентные динофлагелляты (водоросли, вид планктонов). Ботаник Эрвин Банниг также внес свой вклад в фундаментальные исследования по моделированию взаимодействия, описав взаимосвязь между организмами и светотеневыми циклами.

Следующий этап открытий в хронобиологии соединил специфические молекулярные и генетические механизмы работы циркадных ритмов. Это следует из работы Рона Конопка и Сеймура Бензера, которые в начале 1970-х годов стремились определить конкретные гены, контролирующие работу циркадных ритмов плодовых мушек. Конопке и Бензеру приписывают открытие мутировавшего гена, который они назвали периодом, нарушающим работу циркадных часов плодовых мушек. Так впервые была обнаружена генетическая детерминанта поведенческих ритмов. Джеффри С. Холл, Майкл Росбаш и Майкл В. Янг успешно дополнили работу Конопки и Бензера показав работу гена периода на молекулярном уровне. Холл, Росбаш и Янг получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2017 году. Они выделили ген периода, а затем показали, как система суточных часов работает на молекулярном уровне.

Проводя исследования на плодовых мушках и мышах в 1994 году Джозеф Такахаси и его команда обнаружили часовые гены у млекопитающих и назвали их часами, охарактеризовав как "эволюционно сохраненную особенность механизма циркадных часов." Открытие часового гена, наряду с работой Холла, Росбаша, Янга и ученого Майкла Гринберга, стало переломным моментом в хронобиологии. В течение нескольких лет были открыты гены, обеспечивающие работу циркадных ритмов у низших организмов.

Наука неуклонно продвигается вперед и многие исследования на плодовых мушках и мышах продемонстрировали удивительную сохранность часовых генов внутри видов, а это означает, что существуют аналогичные гены, контролирующие работу циркадных ритмов у более сложных организмов, включая человека.

“Восход солнца и закат по-прежнему являются основными фактороми, влияющими на работу циркадных ритмов, но влияние других факторов постоянно отслеживается в научных исследованиях.”

НОВЕЙШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ РОЛИ ЦИРКАДНЫХ РИТМОВ В ЗДОРОВЬЕ И ЗАБОЛЕВАНИЯХ ЧЕЛОВЕКА

Важно отметить, что биология циркадных ритмов невероятно сложна — существует множество научных журналов, посвященных этой области исследований. В результате, наше понимание роли биологических часов в здоровье человека является результатом эпидемиологических исследований, а также исследований на животных. Исследования на низших организмах помогают выявить работу молекулярных и генетических механизмов в действии, после чего можно увидеть как, например, нарушение сна приводит к увеличению риска заболеваемости диабетом второго типа, ожирению, а также ряду сердечно-сосудистых заболеваний.

Действительно, одна из наиболее перспективных областей исследований — это сон. Сегодня ученые связывают недостаток сна и последующее нарушение работы циркадных ритмов с развитием ожирения и депрессии, а также большинства хронических заболеваний. Согласно результатам исследований, недостаток сна может привести к неожиданным побочным эффектам, например, неспособности распознавать лица.

Понимание того, как работают циркадные ритмы тоже вышло далеко за рамки взаимодействия с циклом дня и ночи. “Существуют социальные сигналы, сигналы о необходимости приема пищи и о выполнении упражнений — они очень разнообразны,” — говорит Ю. Восход солнца и закат по-прежнему оказывают основное влияние на работу циркадных ритмов, но исследуются и другие факторы. Большой объем проделанной работы показал, что диета является ключевым внешним сигналом, взаимодействующим с внутренними часами, включая работу доктора Сатчидананды Панда по ограничению питания по времени (как время приема пищи влияет на здоровье).

В целом, теперь ясно, что суточные ритмы выполняют системную роль, чтобы организовать работу всех физиологических аспектов организма человека, в том числе работу жизненно важных органов, метаболизма, иммунитета, мыслительных процессов и др. Работа доктора Ю расширяет область исследований — она сотрудничает со специалистом по изучению хронической боли в целях изучения ритмов боли у пациентов. Также ведется работа по изучению роли светотеневого цикла в нарушениях работы циркадных ритмов (влияние смены часовых поясов на рост раковых клеток). Подобные исследования дарят нам важные новые идеи, которые можно использовать для изменения образа жизни — ведь понимание того, во сколько принимать пищу и ложиться спать в целом важно для здоровья; а заболев, полученные знания можно применить для поиска лекарств, регулирующих работу циркадных ритмов. Ученым предстоит провести еще множество исследований практически во всех сферах, касающихся здоровья и заболеваний.

ОСНОВНАЯ МЫСЛЬ: ПОЧЕМУ ВАЖНО ЗНАТЬ О РАБОТЕ ЦИРКАДНЫХ РИТМОВ?

Осведомленность о работе циркадных ритмов может иметь как краткосрочные, так и долгосрочные последствия для здоровья. “Изменение образа жизни —лучший подарок, который вы можете сделать себе сами», — говорит Чен. “Если вы управляете своим образом жизни, технологии и медицина могут стать факторами второстепенного значения на протяжении вашей жизни.” В краткосрочной перспективе исследования на животных и людях показывают, что образ жизни, поддерживающий здоровую работу циркадных ритмов, может поддерживать бдительность, координацию движений, работу сердечно-сосудистой системы, работу иммунной системы, кишечника, контролировать работу мыслительных процессов и сон. Существуют доказательства, подтверждающие снижение риска возникновения хронических заболеваний в долгосрочной перспективе.

“Эффект от изменения образа жизни может не проявляться в течение нескольких дней, но со временем, преимущества будут огромны.”

Итак, какой образ жизни необходимо вести, чтобы синхронизироваться со своими циркадными ритмами? Первое, что необходимо сделать - обратить внимание на свои биоритмы. Циркадные ритмы, хотя и построены на одной и той же основе, варьируются от человека к человеку из-за возрастных, генетических и экологических различий. Жаворонкам больше нравится утро. Совы предпочитают ночь. Необходимо обратить внимание на естественные склонности своего организма ("хронотип”), чтобы успешно применять знания новейших научных исследований. Также не стоит забывать о том, что единого подхода для всех не существует.

Второе — придерживаться постоянного, рутинного графика каждый день, семь дней в неделю. Доктор Ю рассуждает о «смене часовых поясов по выходным» («социальный джет лаг») — когда люди нарушают режим нетипичными привычками, например, едят и ложатся спать позже, просыпаются позже и тренируются по разным дням недели в разное время. Все эти действия могут привести к таким же негативным последствиям, как и смена часовых поясов. Чем больше и последовательнее вы будете следовать режиму, тем лучше ваше тело будет вам в этом помогать.

Третье — применение полученных знаний из научных исследований — ниже подробно представлены данные о питании, сне и физических упражнениях. Многие изменения образа жизни, о которых свидетельствуют исследования, касаются изменения привычного пищевого поведения — например, есть перед сном плохая идея. Она чревата негативными последствиями для здоровья. В начале и в конце дня стоит питаться небольшими порциями, а это достаточно легко попробовать. То же касается сна — необходимо соблюдать режим и спать не меньше 7-8 часов. В худшем случае вы будете чувствовать себя отдохнувшим, а в лучшем улучшите перспективы здоровой жизни.

Главное: сон, питание и спорт — основа здорового образа жизни.

СОН

Самое важное, что вы можете сделать — это поддерживать постоянный режим сна и бодрствования и высыпаться — сон продолжительностью 7-9 часов считается нормой для взрослого человека. Результаты научных исследований недосыпа и нарушений сна гласят: недосып и нарушения сна негативно сказываются на настроении, концентрации внимания, а также связаны с возникновением хронических заболеваний. Более того, некоторые ученые предполагают, что циркадное рассогласование, вызванное социальным джетлагом, может быть широко распространенным явлением в западном обществе и способствовать возникновению проблем со здоровьем.

Так во сколько же нужно ложиться спать? Как правило, организм начинает вырабатывать мелатонин в 21:00. Это сигнал — необходимо закончить все дела и пойти отдохнуть. Секреция мелатонина заканчивается около 7:30 утра, и в течение дня мелатонин в организме практически не присутствует. Корректировка личных предпочтений на основе ваших естественных склонностей, является ключом к избежанию нарушений сна (например, пробуждение во время сна) и поддержанию оптимального состояния здоровья.

И, наконец, свет. Цикл дня и ночи не является единственным фактором, оказывающим влияние на организм человека, так как мы постоянно сталкиваемся с искусственным освещением, и тем не менее, он играет первостепенную роль. Достаточное количество естественного света в начале дня и избегание неестественного освещения (например, синего света от экрана смартфона) по вечерам способствует здоровой работе циркадных ритмов.

Главное: Высыпайтесь и следите за тем, чтобы ваш сон и время бодрствования оставались неизменными семь дней в неделю. Если у вас недосып, немедленно займитесь восстановлением режима, иначе вы рискуете поставить под угрозу здоровье в долгосрочной перспективе.

ПИТАНИЕ

По большому счету, исследования показывают, что употреблять калорийную пищу лучше в первой половине дня. Постарайтесь, чтобы вечерний прием пищи был задолго до сна и менее калорийным. Если вы можете закончить все дела около 18:00 или 19:00 вечера и дать своему телу 12-14 часов на отдых, то увидите кратковременную и долгосрочную пользу для здоровья.

От части, дело в том, что ночью внутренние часы вашей печени не работают. Печень перестает производить ферменты для преобразования калорий в энергию; вместо этого, она производит ферменты для накапливания энергии. Если вы много едите перед сном, ваша печень вынуждена работать сверхурочно, в итоге, вы сохраните больше энергии, чем потратите.

Другим важным решением, которое вы можете принять (помимо здорового питания), является определение времени ежедневного приема пищи. Хотя данные по-прежнему ограничены, исследованиями на животных и работа доктора Панды предполагает, что “ограничение питания по времени” — легкое и потенциально полезное изменение образа жизни. Оптимальное решение зависит от поставленной цели. Но если цель заключается в том, чтобы улучшить общее состояние здоровья, то лучше начать с 8–9 часов. Но, с точки зрения соблюдения режима в долгосрочной перспективе, может быть целесообразным начать с 10–12 часов.

Главное: Ешьте больше в течение дня, а не перед сном. Для улучшения состояние здоровья начинайте принимать пищу с 10–12 часов.

СПОРТ

В то время как, согласно некоторым исследованиям, анаэробные показатели достигают максимума во второй половине дня, единого мнения среди специалистов о связи между циркадными ритмами и физическими упражнениями нет — за исключением наличия молекулярных часов в скелетных мышцах.

И, как и влияние освещения и времени приема пищи, время занятий спортом также играет важную роль в поддержании здоровой работы циркадных ритмов.

Главное: регулярно выполняйте физические упражнения, а анаэробную активность стоит оставить на вторую половину дня.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования работы циркадных ритмов довольно просты. «Ваши внутренние часы предназначены для сжигания энергии в течение дня и для восстановления энергии в течение ночи», — говорит Ю. Чем лучше синхронизация, тем меньше износ циркадных часов. И хотя внутренние часы устойчивы, последовательное нарушение режима может привести к долгосрочным проблемам со здоровьем.

"Когда мы молоды, тело способно многое выдержать", говорит Ю. “Но это не значит, что все в порядке. Это похоже на расход топлива: вы расходуете слишком много энергии на аритмичную деятельность, что приведет к проблемам с работой циркадных ритмов в будущем.”

Вы не сократите свою жизнь на пять лет поздним приемом пищи, но существуют специально отведенные организмом часы, чтобы защитить здоровье и свести к минимуму нарушение физиологии. Будьте добры и внимательны к себе, и вы увидите результат.

УНИКАЛЬНЫЕ КНИГИ В ЛИЧНУЮ БИБЛИОТЕКУ, или в подарок.