2. Экологические аспекты хронобиологии

«Все жизненные отправления нашего организма – дыхание, кровообращение, деятельность нервных клеток совершаются с определенной периодичностью и ритмичностью. Вся наша жизнь вообще представляет постоянную смену покоя и деятельности, устал ости и отдыха. И в ней, подобно морским приливам и отливам, царит великий ритм, вытекающий из связи жизненных явлений с ритмом Вселенной».

У. Эбекке

Жизнедеятельность любого организма возможна лишь при оптимальной его приспособленности к условиям окружающей среды. Воздействия внешней среды на живой организм могут возникать либо непредсказуемо, либо закономерно, в соответствии с ритмичностью явлений природы.

Для того, чтобы нужным образом отреагировать на непредсказуемое воздействие, в организме должна быть развита способность быстро найти среди имеющегося диапазона степеней выраженности функций те значения, которые наиболее адекватны данной ситуации. Но для этого должен существовать и сам диапазон, то есть значения функций должны колебаться. Чем больше размах колебаний, тем более широким «выбором» обладает организм.

Чтобы оптимальным образом отреагировать на закономерно возникающие изменения внешней среды, надо также обладать широким «выбором» значений функций. Однако в данном случае необходимо включать механизмы регуляции, позволяющие достичь этих значений не в момент воздействий, а предварительно, как бы «упреждая» их. Таким образом формируется активность, направленная на будущее время. Принцип опережающего отражения действительности получил наиболее полное освещение в теории функциональных систем П.К. Анохина. По его мнению, приспособительная деятельность как бы включает в себя будущее время. Это свойство отличает биологические системы от неживой материи.

Обеспечению двух путей реагирования служат биологические ритмы, существование которых создает в организме возможность «быть готовым» встретить как предсказуемое, так и непредсказуемое воздействие. Биологические ритмы должны, с одной стороны, быть достаточно устойчивыми и по возможности независимыми от многочисленных случайных факторов, а с другой, – все время подстраиваться, приноравливаться к новой среде обитания, чтобы создать организму максимальные возможности для оптимальной адаптации. Подобные механизмы регулирования взаимоотношений со средой выработались в ходе эволюции как следствие закрепленных повторных временных внешних воздействий, в первую очередь – воздействий геофизических факторов. Следует подчеркнуть, что наследуются только генетически обусловленные возможности. Для их реализации каждый организм должен строить свою личную систему временных отношений, формировать соответственные биоритмы, отличающиеся большей или меньшей амплитудой колебаний, так называемый «индивидуальный биоритмологический портрет».

Существует несколько определений понятия «биологические ритмы». По одному из них биоритмы – это регулярное, периодическое повторение во времени характера и интенсивности жизненных процессов, отдельных состояний или событий. Для экологической физиологии человека подходит определение, в соответствии с которым биологический ритм – это самоподдерживающийся автономный процесс периодического чередования состояний организма и колебаний интенсивности физиологических процессов и реакций.

Рис. 9. Схематическое изображение биоритма и его основные показатели

Биоритмы в той или иной форме присущи всем живым организмам. В основе всякой ритмики лежит периодический волновой процесс. Для его характеристики используют целый ряд показателей: период, уровень (мезор), амплитуда, фаза, частота и др. (рис. 9).

Период ритма рассчитывают как длительность одного полного цикла ритмических колебаний в единицах времени. Уровнем (мезором) принято считать среднюю величину изучаемой функции за время одного биологического цикла. Амплитуда – это половина разности между наибольшим и наименьшим значением ритма в течение одного биологического цикла. Фаза характеризует положение колеблющейся системы в каждый данный момент времени. При этом время наибольшего подъема функций определяется как акрофаза, а время наибольшего спада процесса – как батифаза. Количество циклов, совершающихся в единицу времени, называют частотой.

Помимо этих показателей, каждый биологический ритм характеризуется формой кривой, которую анализируют при графическом изображении динамики ритмически меняющихся явлений (хронограмма, фазовая карта и др.). Простейшая кривая, описывающая биоритмы – это синусоида. Однако, как показывают результаты математического анализа, структура биоритма бывает, как правило, более сложной.

Истинно периодическими могут быть колебания только в стационарном режиме. Если колебания в какой-то момент времени возникают, то они обычно не сразу достигают стационарного состояния, приближаются к нему асимптотически. Это позволяет считать, что биоритм, у которого существует промежуточный режим, – переходный период, – является процессом, способным к регуляции. Таким образом, колебательные системы обладают такими свойствами, как постоянство во времени, способность к саморегуляции и устойчивость. Биологические колебательные системы отличаются от механических тем, что они богаты запасами свободной энергии. Циклические колебания физиологических процессов с точки зрения энергетики биологически наиболее целесообразны, выгодны и соответствуют принципу оптимальной организации. Колебательная биологическая система имеет преимущества перед «жесткой» системой по стабильности, скорости ответной реакции. Жестко детерминированная, устойчивая (статическая) система в организации природы была бы примитивной, хрупкой и нежизнеспособной.

Спектр возможных ритмов жизни охватывает широкий диапазон масштабов времени – от волновых свойств элементарных частиц до глобальных циклов биосферы. Ритмические явления протекают на различных уровнях организации живой материи: субклеточном, клеточном, тканевом, органном, системном и т.д. (таблица 3). В сложноорганизованных биологических системах, к которым относится организм человека, имеется целая иерархия циклических колебаний, и биологический ритм каждой функциональной системы обычно является результатом согласования и интеграции ряда более элементарных колебаний, то есть результатом хроноструктурной упорядоченности и организованности.

Таблица 3