Как работят ендогенните биологични ритми

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Статията е посветена на работата на циркадните ритми – ендогенни биологични ритми с период от около 24 часа, характерни за повечето организми, включително и за човека. Това е преглед на най-новите научни изследвания, а не колекция от полезни съвети, въпреки че статията говори за потенциална промяна в начина на живот. Този преглед не е изчерпателен; ние ще продължим да го актуализираме, когато се появят нови изследвания.

Основното нещо:

→ Постоянните и здравословни циркадни ритми могат да помогнат за подобряване на цялостното здраве, както и за ефективна превенция на хронични заболявания.

→ Не забравяйте да спите: диета, упражнения и други фактори влияят върху това как работят циркадните ритми.

→ Проучете особеностите на работата на циркадните ритми, определете своя „хронотип“, след което приложете получените знания към методическите препоръки, посочени в научните изследвания.

Преди да включите някой от съветите в тази статия в ежедневието си, консултирайте се с вашия медицински специалист.

Преди да прочетете статията: кратък речник

1. Циркаден: естествено повтарящ се цикъл с период от около 24 часа, независимо от продължителността на светлата част на деня; от латинското circa („o“) и diem („ден“).
2. Сензор за ритъм: сигнал от околната среда, като промяна в светлината или температурата; от немското zeit („време“) и geber („даряващ“).
3. Ендогенен: патологичен процес в тялото, причинен от вътрешни фактори, а не причинен от външни влияния (първопричина).
4. Регулиране на циркадния ритъм: възниква, когато ритмичните, физиологични или поведенчески задачи съответстват на промените в околната среда; взаимодействие на циркадните ритми с околната среда.
5. Ежедневно: всеки ден; от лат. dies (ден) и и diurnus (ежедневно).
6. Главен часовник: двойка клетъчни популации, открити в хипоталамуса, известен също като супрахиазматично ядро (SCN); Тези клетки съдържат гени, които контролират циркадните ритми.
7. Мутантен ген: постоянна промяна в ДНК последователността; използван от хронобиолозите за разпознаване на механизма на часовниковите гени чрез идентифициране на мутантен ген при животни с аритмичен циркадианен синдром.

Представете си растение, което се опитва да фотосинтезира през нощта: кратка драма в тъмното. „Растенията се справят с живота и смъртта“, казва мрачно Сали Ю, асистент по биохимия и клетъчна биология в Тексаския университет в Центъра за здравни науки в Хюстън (UTealth). "Ако не следват циркадните ритми, ще умрат." Но за човек прогнозата няма да е толкова мрачна. „Дори да премахнете гена на часовника (важен ген, който регулира работата на циркадните ритми), няма да умрете веднага“, казва Ю. „Но ще страдате“. Вероятни проблеми? Постоянни психологически проблеми и, наред с други неща, повишен риск от хронични заболявания. Животът е труден, когато всичко не е в синхрон.

Колегата на Ю, Джейк Чен, асистент в същата катедра, казва различно: „Ние често казваме, че всичко трябва да се прави по график. Но това е преувеличение. Но изразът „всичко има своето време“не е такъв. И това е пряко свързано с човешкото тяло. Във всяка отделна клетка, тъкан или орган физиологичните процеси протичат в определено време. Биологичният часовник е един вид таймер – механизъм, чрез който можем да се уверим, че всичко работи правилно. Това е основна функция.”

Чен и Ю изучават циркадните ритми – биологичните ритми на тялото с период от около 24 часа, които се следват всеки ден от всички живи същества на нашата планета. Циркадните ритми или циркадните ритми са пряко свързани с милионите години развитие на живота на нашата планета. Той е продукт на взаимодействието на вътрешния биологичен часовник на тялото и околната среда – не само слънчевата светлина, но и много други фактори определят поведението, регулират нивата на хормоните, съня, телесната температура и метаболизма.

Така нареченият "главен часовник" или супрахиазматично ядро (SCN), главният часовник, който контролира циркадните ритми, е двойка клетъчни популации, пълни с гени (включително Clock, Npas2, Bmal, Per1, Per2, Per3, Cry1 и Cry2), разположен в хипоталамуса. На молекулярно ниво, следи от часовникови гени се намират в бъбреците, черния дроб, панкреаса и други органи. SCN действа като главен изпълнителен директор, инструктирайки тялото да се придържа към графика и да обработва сигналите от околната среда. Медицински институт Хауърд Хюз.)

Както ще видим по-късно, обръщането на внимание на циркадните ритми подобрява ежедневното (физиологично и психологическо) функциониране на тялото и в крайна сметка се отразява на здравословното състояние, както в дългосрочен, така и в краткосрочен план. Грижата за циркадните ритми ги поддържа да работят, като същевременно поддържат това, което Сали Ю нарича „надежден часовник“.

„Не мога да кажа със сигурност колко важни са циркадните ритми за предотвратяване на хронични заболявания, какво въздействие има върху здравето в дългосрочен план, дали е от полза и в крайна сметка засяга продължителността на живота.

Информация за експертите:

Учен: Джън "Джейк" Чен

Образование: PhD, Колумбийския университет, Ню Йорк

Позиция: асистент в катедрата по биохимия и клетъчна биология в Центъра за здравни науки на Тексаския университет в Хюстън

Последна публикувана статия: Малката молекула Nobiletin е насочена към молекулярния осцилатор за подобряване на циркадните ритми и защита срещу метаболитен синдром.

Област на изследване: Малки молекулни сонди за хронобиология и медицина.

Учен: Seung Hee "Sally" Yoo

Образование: PhD, Корейски институт за наука и технологии

Позиция: доцент, катедра по биохимия и клетъчна биология, Център за здравни науки на Тексаския университет в Хюстън

Последна публикувана статия: Period2 3'-UTR и microRNA-24 регулират циркадните ритми чрез потискане на натрупването на протеин PERIOD2. Също така Развитие и терапевтичен потенциал на малки молекулни модулатори на циркадните системи.

Област на изследване: Основни клетъчни механизми в циркадните ритми и дешифриране на физиологични и патологични роли на часовника.

ИСТОРИЯ: ОСНОВНИ ЕТАПИ НА БИОЛОГИЧНОТО РАЗВИТИЕ НА ЦИРКАДИЧНИ РИТММИ

Първото нещо, което трябва да знаете за изследването на циркадните ритми (хронобиолозите правят това), е, че с редки изключения всички организми следват своите циркадни ритми. От нарциси до врабчета, от зебри до хора, почти всички живи организми на планетата следват слънчевия цикъл. През 1729 г. френският учен Жан-Жак дьо Меран записва първото наблюдение на ендогенни или вградени дневни движения на листата на растението Mimosa pudica. Дори в пълна тъмнина растението продължаваше да следва ежедневния си ритъм. Ученият заключи, че растението разчита не само на външни сигнали или сензор за ритъм, но и на собствен вътрешен биологичен часовник.

Хронобиологията процъфтява двеста години по-късно, в средата на 20-ти век. Засегнат от приноса на редица учени, по-специално Колин Питъндри, „бащата на биологичния часовник“. Pittendry изучава плодови мухи или дрозофила и хвърля светлина върху това как циркадните ритми взаимодействат или се синхронизират с цикъла на деня и нощта. Юрген Ашоф, приятел на Pittendry, също изучава взаимодействието с цикъла на деня и нощта, но учените стигнаха до различни заключения за това как се случва взаимодействието (параметрично и непараметрично, можете да прочетете повече за него тук и тук). Джон Уудланд Хейстингс и неговите колеги направиха фундаментални открития за ролята на светлината в циркадните ритми чрез изучаване на биолуминесцентни динофлагелати (водорасли, вид планктон). Ботаникът Ервин Бъниг също допринесе за основни изследвания за моделиране на взаимодействието, описвайки връзката между организмите и циклите на прекъсване.

Следващият етап от открития в хронобиологията свързва специфичните молекулярни и генетични механизми на работата на циркадните ритми. Това следва от работата на Рон Конопка и Сиймор Бензер, които в началото на 70-те години на миналия век се опитват да идентифицират специфични гени, които контролират циркадните ритми на плодовите мушици. На Конопка и Бенцер се приписва откриването на мутирал ген, който те нарекоха период, който нарушава циркадния часовник на плодовите мушици. Така за първи път е открита генетичната детерминанта на поведенческите ритми. Джефри С. Хол, Майкъл Росбаш и Майкъл У. Йънг успешно допълват работата на Конопка и Бенцер, като показват работата на гена на периода на молекулярно ниво. Хол, Росбаш и Янг получиха Нобелова награда по физиология и медицина през 2017 г. Те изолират гена на периода и след това показаха как работи дневната часовникова система на молекулярно ниво.

Докато провеждат изследвания върху плодови мухи и мишки през 1994 г., Джоузеф Такахаши и неговият екип откриват часовникови гени в бозайниците и ги наричат часовници, описвайки ги като „еволюционно запазена характеристика на циркадния часовников механизъм“. Откриването на гена на часовника, заедно с работата на Хол, Росбаш, Йънг и учения Майкъл Грийнбърг, беше преломен момент в хронобиологията. В рамките на няколко години бяха открити гени, които осигуряват работата на циркадните ритми в низшите организми.

Науката напредва стабилно и много изследвания върху плодови мухи и мишки демонстрират невероятната устойчивост на часовниковите гени в рамките на видовете, което означава, че има подобни гени, които контролират циркадните ритми в по-сложните организми, включително хората.

"Изгревът и залезът все още са основните фактори, влияещи върху циркадните ритми, но други фактори се наблюдават непрекъснато в научните изследвания."

ПОСЛЕДНИ ИЗСЛЕДВАНИЯ: ОПРЕДЕЛЯНЕ РОЛЯТА НА ЦИРКАДИЕВИТЕ РИТМИ В ЧОВЕШКОТО ЗДРАВЕ И БОЛЕСТИ

Важно е да се отбележи, че биологията на циркадните ритми е невероятно сложна - има много научни списания, посветени на тази област на изследване. В резултат на това нашето разбиране за ролята на биологичния часовник в човешкото здраве е резултат от епидемиологични изследвания, както и от изследвания върху животни. Изследванията върху низши организми помагат да се разкрие работата на молекулярните и генетични механизми в действие, след което може да се види как например нарушението на съня води до повишен риск от диабет тип 2, затлъстяване и редица сърдечно-съдови заболявания.

Всъщност една от най-обещаващите области на изследване е сънят. Днес учените свързват липсата на сън и последващото нарушаване на циркадните ритми с развитието на затлъстяване и депресия, както и повечето хронични заболявания. Изследванията показват, че липсата на сън може да доведе до неочаквани странични ефекти, като неспособност за разпознаване на лица.

Разбирането как работят циркадните ритми също е надхвърлило взаимодействието с цикъла на деня и нощта. „Има социални сигнали, сигнали за храна и знаци за упражнения – те са много разнообразни“, казва Y. Изгревът и залезът все още имат голямо влияние върху циркадните ритми, но други фактори се изследват. Голяма част от работата показа, че диетата е ключов външен сигнал, който взаимодейства с вътрешния часовник, включително работата на д-р Сатчидананда Панда за ограничаване на времето за хранене (как времето за хранене влияе на здравето).

Като цяло вече е ясно, че циркадните ритми играят системна роля за организиране на работата на всички физиологични аспекти на човешкото тяло, включително работата на жизненоважни органи, метаболизъм, имунитет, мисловни процеси и т.н. Работата на д-р Ю разширява областта на изследвания - тя си сътрудничи със специализирано изследване на хроничната болка за изследване на болковите ритми при пациенти. Също така се работи за изследване на ролята на цикъла на прекъсване при нарушения в работата на циркадните ритми (ефектът от промяната на часовите зони върху растежа на раковите клетки). Изследвания като това ни предоставят важни нови прозрения, които могат да бъдат използвани за промени в начина на живот – да знаем в колко часа да ядем и да си лягаме като цяло е важно за здравето; а при заболяване придобитите знания могат да бъдат приложени за търсене на лекарства, които регулират работата на циркадните ритми. Учените все още трябва да направят много изследвания в почти всички области, свързани със здравето и болестите.

ОСНОВНА МИСЪЛ: ЗАЩО Е ВАЖНО ДА ЗНАЕТЕ ЗА ЦИРКАДНИТЕ РИТМИТЕ?

Осъзнаването на това как работят циркадните ритми може да има както краткосрочни, така и дългосрочни последици за здравето. „Промените в начина на живот са най-добрият подарък, който можете да си направите“, казва Чен. "Ако управлявате начина си на живот, технологиите и медицината могат да станат второстепенни фактори през целия ви живот." В краткосрочен план проучванията върху животни и хора показват, че начинът на живот, който поддържа здравословни циркадни ритми, може да поддържа бдителността, двигателната координация, сърдечно-съдовото здраве, имунната функция, здравето на червата, мисленето и съня. Има доказателства в подкрепа на дългосрочното намаляване на риска от хронично заболяване.

"Ефектите от промените в начина на живот може да не са очевидни в продължение на няколко дни, но с течение на времето ползите ще бъдат огромни."

И така, какъв начин на живот трябва да водите, за да се синхронизирате с циркадните си ритми? Първото нещо, което трябва да направите, е да обърнете внимание на вашите биоритми. Циркадните ритми, въпреки че са изградени на една и съща основа, варират от човек на човек поради възрастови, генетични и екологични различия. Чучулигите харесват сутринта по-добре. Совите предпочитат нощта. Трябва да обърнете внимание на естествените тенденции на тялото си („хронотип“), за да приложите успешно знанията от най-новите научни изследвания. Освен това не забравяйте, че няма универсален подход.

Второто е да се придържате към последователен, рутинен график всеки ден, седем дни в седмицата. Д-р Ю говори за "jet lag" (социален джет лаг) - когато хората нарушават графика си с нетипични навици, като ядене и лягане по-късно, събуждане по-късно и упражнения в различни дни от седмицата по различно време. Всички тези действия могат да доведат до същите негативни последици като промяната на часовите зони. Колкото повече и по-последователно спазвате режима, толкова по-добре тялото ви ще ви помогне в това.

Трето - прилагайки знанията, придобити от научни изследвания - данните за храненето, съня и упражненията са описани подробно по-долу. Много от промените в начина на живот, които изследванията показват, включват промени в хранителните навици - например ядене на лоша идея преди лягане. Това е изпълнено с негативни последици за здравето. Яжте малки хранения рано и късно през деня, което е достатъчно лесно да опитате. Същото се отнася и за съня – трябва да спазвате режима и да спите поне 7-8 часа. В най-лошия случай ще се почувствате отпочинали, а в най-добрия ще подобрите перспективите си за здравословен живот.

Основното нещо: сънят, храната и спортът са в основата на здравословния начин на живот.

МЕЧТА

Най-важното нещо, което можете да направите, е да поддържате последователен график за сън и събуждане и да спите достатъчно – 7-9 часа сън се считат за нормални за възрастен. Резултатите от изследванията относно лишаването от сън и нарушенията на съня показват, че лишаването от сън и нарушенията на съня влияят негативно на настроението, концентрацията и са свързани с хронични заболявания. Нещо повече, някои учени спекулират, че циркадното несъответствие, причинено от социалния джетлаг, може да е широко разпространено в западното общество и да допринесе за здравословни проблеми.

И така, в колко часа трябва да си лягате? Обикновено тялото започва да произвежда мелатонин в 21:00 часа. Това е сигнал - трябва да завършите всичко и да отидете да си починете. Секрецията на мелатонин приключва около 7:30 сутринта, а през деня мелатонинът практически не присъства в организма. Коригирането на личните предпочитания въз основа на вашите естествени наклонности е от ключово значение за избягване на нарушения на съня (като събуждане по време на сън) и поддържане на оптимално здраве.

И накрая, светлина. Цикълът на деня и нощта не е единственият фактор, влияещ върху човешкото тяло, тъй като постоянно сме изправени пред изкуствено осветление, но то играе първостепенна роля. Получаването на достатъчно естествена светлина рано през деня и избягването на неестествено осветление (като синя светлина от екрана на смартфон) вечер помага да поддържате циркадните си ритми здрави.

Ключови моменти: Спете достатъчно и се уверете, че времето за сън и събуждане остава едно и също седем дни в седмицата. Ако сте лишени от сън, незабавно започнете да възстановявате режима си, в противен случай рискувате да застрашите здравето си в дългосрочен план.

ХРАНЕНИЕ

Най-общо казано, изследванията показват, че яденето на висококалорични храни е най-добре сутрин. Опитайте се да ядете добре преди лягане и да ядете по-малко калории. Ако можете да свършите всичко около 18:00 или 19:00 часа и да дадете на тялото си 12-14 часа за почивка, ще видите краткосрочни и дългосрочни ползи за здравето.

Отчасти фактът е, че вътрешният часовник на черния ви дроб не работи през нощта. Черният дроб спира да произвежда ензими за превръщане на калориите в енергия; вместо това произвежда ензими за съхраняване на енергия. Ако ядете много преди лягане, черният ви дроб е принуден да работи извънредно и в крайна сметка спестявате повече енергия, отколкото изразходвате.

Друго важно решение, което можете да вземете (освен здравословното хранене) е да определите времето на ежедневното си хранене. Въпреки че данните все още са ограничени, проучванията върху животни и работата на д-р Панда показват, че „ограниченото във времето хранене“е лесна и потенциално полезна промяна в начина на живот. Оптималното решение зависи от вашата цел. Но ако целта е да подобрите цялостното си здраве, тогава е по-добре да започнете от 8-9 часа. Но по отношение на дългосрочното спазване може да е препоръчително да започнете от 10-12 часа.

Ключов момент: Яжте повече през деня, а не преди лягане. За да подобрите здравето си, започнете да ядете на 10-12 часа.

СПОРТ

Докато някои проучвания показват, че анаеробната производителност достига своя връх следобед, няма консенсус сред експертите относно връзката между циркадните ритми и упражненията - с изключение на наличието на молекулен часовник в скелетните мускули.

И точно като ефектите от осветлението и времето за хранене, времето за упражнения също играе важна роля за поддържането на здравословни циркадни ритми.

Основното нещо: спортувайте редовно и оставете анаеробната активност за следобеда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изследването на това как работят циркадните ритми е доста лесно.„Вътрешният ви часовник е проектиран да гори енергия през деня и да възстановява енергията през нощта“, казва Y. Колкото по-добро е времето, толкова по-малко износване е на циркадния часовник. Въпреки че вътрешният часовник е стабилен, постоянното нарушаване на режима може да доведе до дългосрочни здравословни проблеми.

„Когато сме млади, тялото може да се справи с много“, казва Ю. „Но това не означава, че всичко е наред. Това е като разхода на гориво: изразходвате твърде много енергия за аритмични дейности, което ще доведе до проблеми с функционирането на циркадните ритми в бъдеще.

Няма да съкратите живота си с пет години, като ядете късно, но в тялото ви има отделени часове, за да защитите здравето си и да сведете до минимум нарушаването на вашата физиология. Бъдете мили и внимателни към себе си и ще видите резултата.