MEDDAILY.INFO
медицинская энциклопедия
ГлавнаяКарта сайта Контакты
 

Хронобиологические аспекты онтогенеза

фото Хронобиологические аспекты онтогенеза
Онтогенезу, как биологическому процессу развития, свойственны индивидуальность и временная последовательность основных периодов: пренатального и постнатального. Постнатальный период онтогенеза, в свою очередь, включает в себя три временных периода: период роста, когда происходит становление и формирование характерных для организма морфологических и функциональных систем; период зрелости, который характеризуется завершившимся формированием морфологических и функциональных систем и стабильностью их активности; период старости, при котором происходит постепенное ослабление всех физиологических функций, инволюция морфофункциональных систем и затухание жизнеспособности организма.

Временная организация биологической системы, в частности человеческого организма и/ или его онтогенеза, представляет собой совокупность упорядоченных изменений во времени, в том числе в виде биологических ритмов, ее структур и функций, иерархически взаимодействующих и согласованных между собой и с колебаниями условий внешней среды.


Общая иерархическая структура временной организации биологической системы состоит: из части, связывающей временную организацию биологической системы с другими системами и с внешней средой; части, регулирующей временную организацию биологической системы; части, воспринимающей сигналы регуляции; рабочей (исполнительной или эффекторной) части, выражающей конечный результат деятельности или поведения биологической системы.

Временная организация биологических систем подразделяется на следующие три типа:
1) организация индивидуального времени;
2) организация равнопериодических биологических ритмов разных функций;
3) организация разнопериодических биологических ритмов одной и той же функции. Условно этим подразделениям временной организации биологических систем можно дать названия соответственно 1-го, 2-го и 3-го типов временной организации.

Все перечисленные типы временной организации имеют отношение к проблемам индивидуального развития, т.


е. к проблеме онтогенеза.

Вопрос об онтогенезе как целостной хронобиологической системе процессов и явлений, происходящих в организме в течение жизни, разработан недостаточно. Эмпирически установлено, что независимо от таксономической принадлежности организмов продолжительность периода их роста относится к общей продолжительности жизни как 1:5. О взаимозависимости элементов онтогенеза во времени говорят результаты экспериментов на животных, получавших так называемую «ограниченную» диету. Такая диета имеет сниженную энергетическую ценность при меньшем общем количестве пищи, но полноценна по содержанию витаминов, микроэлементов и других незаменимых компонентов. У животных, получающих эту диету, замедляется рост и, соответственно, увеличиваются продолжительность периода роста, репродуктивный период и общая продолжительность жизни. Все изложенное свидетельствует в пользу взгляда на онтогенез организма как на биологическую систему. Если это так, то, как любая биологическая система, система онтогенеза должна иметь свою временную организацию, в том числе и в период старости. Рассмотренная связь индивидуальных времен является аргументом для утверждения положения о временной организации онтогенеза.

Одним из первых аналитически рассмотрел онтогенетические изменения параметров биологических ритмов у человека Т. Хельбрюгге. Он проанализировал сроки формирования после рождения ритмов различных функций организма (частота сердечных сокращений, температура тела, цикл сон-бодрствование, электрическое сопротивление кожи, диурез, выведение с мочой калия и натрия) и динамику их параметров в детском возрасте. Он пришел к следующим выводам: различные физиологические функции формируют свой суточный ритм независимо друг от друга; суточные ритмы различных функций начинают проявляться в разные сроки после рождения; для появления суточного ритма необходима полностью развитая нервно-гуморальная система и функциональная полноценность соответствующих органов; становление каждого суточного ритма зависит от созревания органов восприятия действия синхронизирующих внешних датчиков времени; в процессе развития суточных ритмов амплитуда колебаний всех физиологических функций увеличивается; существенное значение для развития суточного ритма имеет завершенность процессов внутриутробного развития ребенка - у недоношенных детей суточная периодичность развивается позже, чем у детей, родившихся в срок.

Т. Хельбрюгге обратил внимание на то, что формирование различных суточных ритмов различается по своим срокам не только в органах различных систем организма человека, но и в пределах одного и того же органа. Так, если четко выраженная суточная ритмичность диуреза наблюдается на 4-й неделе постнатального развития ребенка, то такая ритмичность в выведении с мочой калия и натрия обнаруживается только начиная с 3,5 месяца. Как известно, ритм диуреза отражает функции клубочковой системы почек, а ритм выведения калия и натрия связан с функциями почечных канальцев.

Таким образом, процессы онтогенетического формирования суточных ритмов функций организма человека характеризуются гетерохронностью. У ребенка до 16-, 17-й недели постнатального развития ритм сна и бодрствования полифазный, и только после этого срока онтогенеза он становится монофазным суточным, хотя вплоть до 182-го дня жизни в этом ритме происходят постоянные фазовые сдвиги.

Различия становления суточных ритмов разных функций развивающегося организма во времени Т. Хельбрюгге назвал «физиологической диссинхронией». Этим он хотел подчеркнуть физиологичность данного явления.

Исследования закономерностей онтогенетического развития биологических ритмов у животных провели Г.Д. Губин и сотр. Основные результаты этих работ сводятся к следующему. Во-первых, онтогенетическое становление суточных ритмов связано со степенью зрелости рождающегося организма и с созреванием мор-фофункциональной организации той или иной системы органов (органа). Например, некоторые показатели функций печени (содержание в клетках гликогена, РНК) ритмично изменяются в течение суток уже у 19-дневных куриных эмбрионов, а эти же показатели в печени мышей и крыс обнаруживают суточные колебания только к 3-недельному постнатальному возрасту. Если только что вылупившийся из яйца цыпленок готов к самостоятельной жизни (зрелорождающийся организм), то только что родившийся мышонок или крысенок к жизни без матери неспособен (незрелорождающийся организм).

Ф. Дэвис сообщает о суточной периодичности деятельности системы, контролирующей биологические ритмы и их взаимоотношения с внешней средой. Один из способов фотопериодической регуляции ритмов состоит в том, что с сетчатки глаза трансформированный световой импульс поступает в так называемое супрахиазматическое ядро, расположенное в передней части гипоталамуса над частичным перекрестом зрительных путей. Многие процессы в этом ядре подвержены ритмическим колебаниям, а его разрушение ведет к резким изменениям большого количества биологических ритмов организма. Существует мнение о супрахиазматическом ядре как главном генераторе ритмических процессов в организме (центральный пейсмекер). На пути передачи фотопериодического сигнала находится верхний шейный симпатический ганглий. Наконец, непременным участником в проведении фотопериодического воздействия является эпифиз, многие авторы рассматривают его в качестве второго центрального пейсмекера.

Ф. Дэвис приводит данные изучения онтогенетического развития суточного ритма уровня активности эпифизарного фермента N-ацетил-серотонин-метилтрансферазы. Регулятор этого фермента находится в супрахиазматическом ядре гипоталамуса. Он влияет на эпифиз через симпатические проводники, идущие от верхних шейных ганглиев. Захватывание ритма активности эпифизарного фермента N-ацетил-серотонин-митилтрансферазы суточными изменениями освещенности происходит через сетчатку глаза и далее через ретиногипоталамический тракт с подключением супрахиазматического ядра. Во-вторых, становление суточных ритмов разных функций организма в онтогенезе происходит не одновременно. Например, у 3-не-дельных мышей отсутствует суточный ритм приема пищи, а концентрация инсулина в плазме крови подчиняется выраженному суточному ритму. Следовательно, и развитию суточной периодичности функции у животных, так же как и у человека, свойственна гетерохронность.В-третьих, в развитии системы ритмов существует определенная этапность. Сначала на основе созревания органов и функций формируется сам суточный ритм. Далее на базе восприятия внешних датчиков времени устанавливаются соответствующие фазовые отношения с периодически меняющимися условиями среды.

Этот процесс также неодновременен для разных функций организма. Так, Д. Вайнерт, Й. Шу при изучении фазовой динамики суточных ритмов в онтогенезе мышей в условиях нормального и инвертированного фоторежима установили, что ритмы разных функций организма по-разному изменяются под влиянием внутренних и внешних факторов. Суточный ритм приема пищи при перевернутом фоторежиме не приходил в соответствие с ним и через 13 недель опыта.

Следовательно, в этом ритме сильно выражена эндогенная составляющая. Наоборот, суточный ритм содержания гликогена в клетках печени при измененном режиме освещения инвертировался уже к 5-недельному возрасту. Таким образом, этот ритм довольно сильно подвержен экзогенному воздействию. Завершающим этапом онтогенеза биологических ритмов организма является установление связи между отдельными ритмами. Все это в совокупности означает, что в процессе онтогенетического развития усиливается как экзогенная (адаптация к биотическим и абиотическим периодичностям среды), так и эндогенная (внутри- и межсистемная координация функции) составляющие системы ритмов организма. Параллельно происходит увеличение амплитуд большинства суточных ритмов.

В-четвертых, многие функции организма после рождения характеризуются хорошо выраженными высокочастотными (ультрадианными) колебаниями, мощность которых с возрастом уменьшается, а мощность суточных колебаний возрастает. Эти данные послужили основанием для представления о развитии суточных ритмов из ультрадианных. У взрослого организма одновременно существуют ультрадианные и суточные колебания функций. Но на разных этапах онтогенеза наблюдаются неодинаковые соотношения амплитуд этих ритмов. В позднем периоде онтогенеза мощность ультрадианных ритмов увеличивается.

Г.Д. Губин и соавт. установили, что в процессе постнатального онтогенеза крыс каждый возрастной период (инфантильный, ювенильный, молодой, зрелый, предстарческии, старческий) имеет определенные параметры суточных ритмов организма, в частности изменяющуюся с возрастом амплитуду ритмов. В 1980 г. эти исследователи выдвинули концепцию, согласно которой онтогенез ритмов имеет вид спирали, обороты которой сначала постепенно возрастают (увеличивается амплитуда ритмов), а на поздних этапах жизни организма сокращаются (угасание амплитуд ритмов). Это представление получило название концепции «волчка».

Помимо онтогенетических изменений амплитуды, с возрастом изменяются и другие параметры суточных ритмов, в частности мезора. У одних функций величина мезора мало меняется с возрастом (некоторые показатели кислотно-щелочного состояния), у других он возрастает (сахар крови, рСО2 липиды крови), у третьих уменьшается (гликоген печени, рН крови).

Примером онтогенетических изменений мезора последнего типа может служить возрастная динамика мезора суточного ритма митотического деления гепатоцитов крыс и величина суточного пула митозов (Рм) в клетках печени крыс. С возрастом в печени крыс наблюдается некоторая волнообразность в динамике показателей размножения клеток на общем фоне их значительного уменьшения.

Среди параметров биологического ритма есть показатель, отражающий участие активной фазы ритма в деятельности той или иной функции в целом за сутки. По отношению к суточному ритму числа митозов - это процент делящихся в активной фазе клеток среди всех делящихся в течение суток, или пул митозов в активной фазе ритма, выраженный в процентах.

В онтогенезе животных происходят также фазовые сдвиги в суточных ритмах функций организма. Например, акрофаза суточного ритма содержания гликогена в гепатоцитах крыс в инфантильном возрасте приходится на 3 ч 30 мин, в ювенильном - на 3 ч 00 мин.Изучение фазовых сдвигов в суточных ритмах числа митозов в эпителии пищевода и гепатоцитов крыс показало, что фазовая структура суточного ритма митотического индекса в клетках эпителия пищевода крыс различного возраста, во-первых, неодинаковая и, во-вторых, имеет сдвиги акрофазы и активной фазы ритма.

В процессе онтогенеза крыс суточный ритм числа митозов в эпителии пищевода по своей фазовой структуре становится дефинитивным на 30-й день жизни. Фазовая перестройка изначально монофазного ритма происходит через формирование двухфазного и в последующем с образованием вновь монофазного ритма с расположением его активной фазы на месте одной из активных фаз двухфазного ритма, возникающей в отрезке суток, противоположном тому, на который с начала приходилась активная фаза монофазного суточного ритма митозов.

Изучение суточных ритмов числа ДНК-синтезирующих и делящихся гепатоцитов у крыс разного возраста выявило, что оба показателя испытывают в онтогенезе фазовую перестройку и сдвиг фаз.

У 7-дневных животных суточный ритм радиокативного индекса двухфазный. Его активные фазы и акрофазы приходятся на утреннее и вечернее время суток. У 15-дневных животных суточный ритм синтеза ДНК в гепатоцитах не обнаружен. Но он наблюдается у 25-дневных крыс, нося монофазный характер. В этом ритме активная фаза занимает вторую половину ночи, ее середина и акрофаза приходятся соответственно на 2 ч 30 мин и 2 ч 00 мин. У крыс 45-дневного возраста возможен как моно-, так и двухфазный ритм синтеза ДНК в гепатоцитах. В случае монофазного ритма активная фаза располагается ночью и ранним утром, ее середина и акрофаза регистрируются соответственно в 00 ч 30 мин и 23 ч 00 мин.

При двухфазном ритме синтеза ДНК одна активная фаза также занимает ночное и утреннее время суток, а вторая наблюдается днем. На основе приведенных данных можно сказать, что суточный ритм числа ДНК-синтезирующих гепатоцитов у крыс становится суточным ритмом у взрослых животных начиная с 25-дневного возраста.Таким образом, как и в эпителии пищевода, в печени крыс суточный ритм числа митозов становится дефинитивным в 25-30-дневном возрасте. Следовательно, несмотря на то что эпителий пищевода относится к быстрообновляющимся, а железистые клетки печени к медленнообновляющимся тканям, в обоих случаях формирование дефинитивного суточного ритма митотической активности происходит в одни и те же сроки онтогенеза.

Фазовые сдвиги суточных ритмов в ходе онтогенеза отмечены и в отношении некоторых других функций организма. Например, суточный ритм уровня активности тирозинаминотрансферазы в печени крысят к концу периода вскармливания претерпевает фазовую инверсию на 180 градусов.

Индивидуальное время живой системы можно представить как сумму времен фаз или стадий развития объекта. Тогда в Т1 можно выделить различные элементы. Графически Т1 можно изобразить в виде сложного составного вектора - хронограммы. Может наблюдаться явление хронополиморфизма - существование множества качественно тождественных, обладающих разными по составу и (или) строению Т1. Например, рассмотрение с хронологической точки зрения отдельных временных отрезков биографии разных людей.

Два Т1 равны, если их хронограммы при взаимном наложении совмещаются во всех своих деталях, т. е. если они одинаковы по составу и строению (числу, модулю, направлению, порядку элементов времени), в противном случае они будут не равны. Неравные Т1 по отношению друг к другу либо подобны, либо неподобны. Различные индивидуальные времена в природе связаны. Различают связи двух родов.

Связь первого рода проявляется тогда, когда конец существования одних объектов является началом бытия других.
Т1 в живой природе выражается в четырех формах:
1) Т1 «частей» организмов;
2) Т1 особи;
3) Т1 смены поколений без изменения формы жизни вида;
4) время смены форм жизни одновременно со сменой поколений - эволюционное время.

Кроме связи индивидуальных времен первого рода существует связь второго рода. Это связь не продолжающих друг друга индивидуальных времен. В этом случае таковыми являются Т1 на уровне органов, тканей, клеток.

В данном случае имеют место:
1) некоторое множество Т1 частей организма, выражаемое тем большим числом, чем дифференцированнее живой объект. Эти Т1 по своей продолжительности могут не совпадать с продолжительностью Т1 системы в целом;
2) особая характеристика по составу и строению Т1 каждой части организма, которая нередко характеризуется ритмичностью;
3) временная согласованность в деятельности этих частей организма, когда функционирование в одних из них протекает одновременно, а в других - последовательно: сразу или через те или иные промежутки времени.

Время объекта с учетом Т1 его частей назвали временной организованностью, которая может быть выражена сложной хронограммой, состоящей из векторов, отражающих состав и строение времен составных частей живой системы. Таким образом, связь второго рода между индивидуальными временами совершенно определенно приводит к представлению о временной организации биологической системы в ходе всего ее индивидуального развития. Кроме того, эта связь еще раз указывает на гетерохронность процессов или стадий, происходящих на протяжении онтогенеза организма.

Мы полагаем, что одним из биологических примеров связи второго рода индивидуальных времен являются временные характеристики сна. С хронобиологических позиций сон рассмотрели У. Уэбб и М. Дьюб.

Сон имеет две характеристики: профиль и структуру. Под профилем сна понимают временные отношения между сном и бодрствованием. Профиль определяется моментами начала и конца сна. Кроме того, вычисляют суммарное время сна, число эпизодов сна, их длительность и параметры распределения (например, доля дневного сна, среднее время начала и окончания). Под структурой сна подразумевают процессы, происходящие во время самого сна, о которых судят по электроэнцефалограмме. У взрослого человека выделяют 5 стадий сна. Во время стадии 0 наблюдаются короткие эпизоды пробуждения в стадии 5 или стадии быстрого сна, происходят быстрые движения глаз. Нередко ее называют стадией парадоксального сна. Первые 4 стадии сна различаются по глубине.

Стадия быстрого движения глаз у человека заметно изменяется с возрастом по показателям суммарного времени и по длине цикла. Н. Roffwarg и соавт. нашли, что у новорожденных «активный» сон (во время этого сна корковая электроэнцефалограмма практически не отличается от электроэнцефалограммы в период бодрствования) составлял большую долю всего сна, примерно 50% при 20-25% у взрослых. У 29-недельных недоношенных младенцев (возраст исчисляли с предполагаемого момента зачатия) «активный» сон составил 84% всего сна, у 39-недельных - 58% и у младенцев, рожденных в срок, - 40%.

P.J. Ellingson обнаружил, что «зрелый» профиль электроэнцефалограммы и быстрое движение глаз, сходный со взрослым типом, в возрасте 41-45 недель составлял 10%, 46-50 недель - 62%, 50 недель и старше -100%. Доля быстрого движения глаз к концу первого года жизни составляет примерно 30%. W.W. Williams и соавт. нашли уменьшение доли быстрого движения глаз с 30% в возрасте 3- 5 лет до постоянного уровня 22-28% примерно к 10 годам жизни.

С возрастом изменяется цикл быстрого движения глаз, представляющий собой промежуток между началами двух последовательных эпизодов быстрого движения глаз. У новорожденных он составляет 50-60 мин и увеличивается от 90 мин в возрасте 3-5 лет до 105- 120 мин к 8 годам, оставаясь на этом уровне до 29 лет у лиц обоего пола. В возрасте от 30 до 80 лет у женщин и от 30 до 69 лет у мужчин средняя длина цикла находится в пределах от 92 до 108 мин. Самый длинный цикл быстрого движения глаз - 130 мин отмечен у мужчин в возрасте 70-80 лет.

В процессе старения существенно изменяются стадия медленноволнового сна (стадия 0) и стадия 1. Стадия медленноволнового сна заметно сокращается после 30 лет, причем у мужчин в большей степени, чем у женщин. Напротив, доля стадии 1 с возрастом прогрессивно увеличивается с 2-3% в 10-летнем возрасте до 8-10% к 60 годам.

У. Уэбб и М. Дьюб суммировали результаты нескольких работ по изучению длительности сна у лиц разного возраста. Этот показатель сна к первому году жизни уменьшается примерно на 2,5 часа. К 20 годам жизни он сокращается еще на 6 часов. В дальнейшем длительность сна стабилизируется вплоть до 80-летнего возраста.

Наиболее изученной является временная организация 2-го типа, представляющая собой совокупность равнопериодических ритмов разных функций организма. Изучение ее онтогенетического аспекта не имеет длинной истории. Первоначальный подход состоял в изучении онтогенетических изменений отдельных биологических ритмов, главным образом суточных. Определенным итогом подведения результатов этих исследований стала работа Г. Хельбрюгге. Однако уже в книге «Биологические ритмы», изданной в нашей стране в 1984 г., помещена статья Ф. Дэвиса, в которой рассматривается система ритмов организма. При изучении онтогенеза циркадианной системы нельзя ограничиваться простым описанием многочисленных ритмов и их изменений в процессе развития. Связанность этих ритмов между собой и с колебаниями внешних факторов, что обеспечивает внутреннюю временную упорядоченность многообразных функций организма, делает предметом исследовании биологическую организацию этой упорядоченности.

Временная организация 2-го типа имеет определенные стадии развития в онтогенезе. Например, у крыс, по данным Ф. Дэвиса, суточные ритмы разных функций созревают в онтогенезе приблизительно в следующей последовательности: ритмы, отражающие навязанный режим кормления; ритмы функций эпифиза и симпатической нервной системы; ритмы функций эндокринных желез, находящихся под контролем гипофиза; ритмы произвольного поведения, например локомоторной активности и потребления воды, а также показателей сна, связанных с корой мозга.

Одним из примеров временной организации 2-го типа является совокупность суточных ритмов деятельности гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы у животных и человека. Закономерности временной организации этой системы еще в 1975 г. были проанализированы Ю.А. Романовым и др. На основании этих исследований и литературных данных можно сказать, что первые признаки суточной ритмичности в деятельности гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы у человека появляются в 2-3-недельном возрасте. Но процесс становления ритмов этой системы продолжается на протяжении нескольких лет и только в школьном возрасте достигает зрелости, свойственной взрослым людям.

В старческом возрасте суточный ритм секреции гормонов коры надпочечников претерпевает определенные изменения. Хотя содержание кортизола в крови имеет тенденцию к максимуму в утренние часы, у пожилых людей отмечен более ранний утренний подъем содержания в крови гормона, что связывается с нарушением у них сна.

Временная организация функций стареющего организма характеризуется десинхронизацией составляющих ее суточных ритмов. Возрастной распад системы ритмов организма проходит ряд этапов. В первую очередь ухудшается внутренняя и внешняя временная координация функции, что обусловливает несогласованные друг с другом фазовые сдвиги. Развитие десинхроноза в системе ритмов сопровождается резкими нарушениями жизнедеятельности организма. Так, Д. Вайнерт, X. Аймерт за 1-2 недели до момента смерти мышей наблюдали полное рассогласование ритма их двигательной активности с внешним датчиком времени - фотопериодичностью. За 2-3 дня до смерти происходил полный распад этого суточного ритма со снижением его амплитуды и увеличением доли ультрадианной составляющей.

В ряде исследований мух Drosophila melano-gaster содержали в условиях постоянного освещения или при световых циклах с периодами, отличными от 24 ч. Помещение мух в такие условия приводило у них к десинхронизации ритмов разных функций и сокращению продолжительности жизни.

R. Wever считает, что с возрастом повышается вероятность спонтанной десинхрониза-ции внутри временной организации функций организма человека. J. Aschoff и соавт. установили, что суточные ритмы температуры тела и сна-бодрствования в большей степени переходят к свободному течению в постоянных условиях у пожилых людей по сравнению с молодыми. Следовательно, с возрастом изменяются фазовые отношения между ритмами, тем самым нарушается их временная согласованность и снижается способность адаптироваться к новому распорядку временных условий.



Новые статьи

» Стронгилоидоз
Стронгилоидоз
Стронгилоидоз - хронически протекающий геогельминтоз с преимущественным поражением ЖКТ и общими аллергическими проявлениями. Основной источник заражения стронгилоидозом - больной человек. Некоторые... перейти
» Трихинеллез
Трихинеллез
Трихинеллез у человека - это острый зооноз с природной очаговостью, протекающий с лихорадкой, мышечными болями, отеком лица, кожными высыпаниями, высокой эозинофилией, а при тяжелом т... перейти
» Энтеробиоз
Энтеробиоз
Энтеробиоз - кишечный гельминтоз, вызываемый мелкой нематодой Enterobius vermicularis, со стертым и невыраженным течением, наиболее распространенный признак которого - перианальный зуд, возникающий на... перейти
» Аскаридоз
Аскаридоз
Аскаридоз - кишечный гельминтоз, вызываемый нематодой Ascaris lumbricoides, протекающий с поражением ЖКТ, интоксикацией, аллергическими реакциями. Аскаридоз - один из самых распространенных гельмин... перейти
» Альвеококкоз
Альвеококкоз
Альвеококкоз (Alveococcosis) - зоонозный биогельминтоз, вызываемый личиночной стадией цепней Echinococcus multilocularis, с хроническим прогрессирующим течением, развитием в печени и других органах мн... перейти
» Эхинококкоз
Эхинококкоз
Эхинококкоз (Echinococcosis) - зоонозный биогельминтоз, вызываемый личиночной стадией цепня Echinococcus granulosus, характеризуемый хроническим течением и развитием преимущественно в печени, реже в л... перейти