Развитие циркадианных биоритмов в онтогенезе некоторых позвоночных
Циркадианная временная организация в ходе индивидуального развития организмов в целом и, в частности, в онтогенезе позвоночных как в пренатальный, так и постнатальный периоды изучена недостаточно. Анализ литературы показывает, что эта проблема почти не коснулась представителей низших классов позвоночных.
Наиболее полные и системные исследования биоритмов в онтогенезе выполнены на печени кур и крыс, мышей и кроликов. В основном, за исключением работы Г. Д. Губина, биоритмы в печени изучались на самых ранних этапах онтогенеза Так, у цыплят суточные ритмы содержания гликогена в гепатоцитах исследованы в период от 7-го до 2-го дня перед вылуплением и на 1-, 2-, 5-, 12-, 14-, 16- и 32-й дни после выпулпения. В печени эмбрионов зарегистрирован 8-часовой (высокочастотный) ритм, медленно переходящий в циркадианный. Сразу после вылупления цыпленка устанавливается суточный ритм содержания гликогена, свойственный взрослому организму. Изучение изменения количества гликогена и желчных кислот в печени крыс в 3 возрастных группах (1-7-й; 8-14-й и 15-21-й день) показало, что только на 3-й неделе постнатального развития устанавливается суточный ритм этого показателя с минимумом в 16-17 ч и максимумом в 8 ч. Ритм содержания желчных кислот находится в реципрокном отношении к ритму гликогена.
Г. Д. Губин показал, что закономерные суточные колебания показателей внутриклеточного обмена печени кур, мышей, крыс и кроликов развиваются в онтогенезе. Первые признаки циркадианного ритма метаболизма гепатоцитов эмбрионов цыплят отмечаются на 19-й день развития. Становление суточного ритма в печени цыплят, свойственного взрослым птицам, происходит уже в первые 10 дней постнатального периода. Максимальный ритм биологических процессов в печени кур отмечен в 60-80-суточном возрасте. В печени эмбрионов мышей, в печени в первые дни постнатального периода у мышей, крыс и кроликов не установлено циркадианных колебаний показателей внутриклеточного обмена веществ. Достоверный циркадианный ритм в гепатоцитах мышей и крыс устанавливается только с 3-4-й недели постнатального периода.
Развитие суточной амплитуды ритма процессов обмена в печени у изученных высших позвоночных (птиц и млекопитающих), по нашему мнению, является результатом реализации наследственной информации, т. е. генотипа на определенном этапе онтогенеза, поскольку ритм - это признак. Известно, что не все признаки формируются сразу при рождении. В частности, суточная ритмичность процессов жизнедеятельности крайне необходима для зрелого организма, а не в момент рождения.
И. И. Шмальгаузен указывал, что наибольшей сложности и вместе с тем наибольшей целостности организм животных достигает в зрелом периоде. По-видимому, эта целостность, гомеостаз, достигается за счет хорошо развитой ритмичности процессов жизнедеятельности. Анализ фактического материала по биологическим ритмам с помощью исторического метода свидетельствует, что процесс эволюции получает характер развивающегося ритма, поскольку неотъемлемым «атрибутом» биологического прогресса является увеличение амплитуды между активностью и покоем, возрастание фазы активности, рост ритмичности повышения и понижения энергетического потенциала. Организмы с высоким уровнем жизнедеятельности и большой среднесуточной интенсивностью функционирования в отличие от малоактивных организмов с низким уровнем жизнедеятельности не могут существовать без периодов резкого снижения интенсивности функционирования структур, т. е. без покоя, сна, так как именно в это время суток осуществляется компенсация энергетических затрат, происшедших в деятельный период суточного жизненного цикла. Внутриклеточная динамика показателей обмена веществ печени позвоночных на протяжении суток в нормальном физиологическом состоянии отражает ритмичность динамики обмена в целом, которая и обусловливает устойчивость организма, его гомеостаз.
Формирование циркадианного ритма биологических процессов из высокочастотного, ультрадианного, и последующее его «созревание» установлены, в частности, для таких важнейших биоритмов, как сон и бодрствование, температура тела, содержание аминокислот в крови, выделение мочи и т. д.
Изменения циркадианной временной структуры организма в последующий период при старении требуют самого пристального внимания, - считает Ф. Дэвис.
Проведены новые исследования этих проблем. Биология развития становится одной из центральных проблем современного естествознания. Среди многих актуальных вопросов онтогенеза одним из главных остается соотношение отдельных этапов онтогенеза, в том числе о маркерах начала старения. Известно, что наиболее общим свойством биологических систем является способность сохранять динамическую устойчивость (самотождественность) и в то же время изменяться в соответствии с определенной программой (развиваться). Раскрытие механизмов гомеостаза, гомеорезиса (развитие) и гомеоклаза (физиологическая дестабилизация в процессе старения) невозможно без анализа общих принципов системной организации. К числу общих принципов организации живых систем относится временная организация. Нами установлено, что в процессе постнатального онтогенеза крыс каждый возрастной период характеризуется неповторимой циркадианной временной организацией по всем основным биоритмическим параметрам (мезоры, амплитуды, внутренние и внешние акрофазы, хронодезмы). Специфика циркадианной организации в онтогенезе млекопитающих животных, а также человека выявлена в исследовании параметров некоторых гомеостатических систем (углеводного, липидного, белкового, энергетического, газового, кислотно-основного баланса и др.).
В 1980 г. была выдвинута концепция, согласно которой циркадианная организация живой системы, все амплитудно-фазовые отношения испытывают изменения в онтогенезе. С этих позиций весь онтогенез представляется спиралью с постепенно возрастающими оборотами (наращивание амплитуд в циркадианной организации биологических процессов) и последующим, на поздних этапах онтогенеза, сокращением оборотов (угасание амплитуд осцилляции). В процессе онтогенеза также закономерно изменяется соотношение внутренних акрофаз показателей биологических процессов. Эта гипотеза «волчка» получила четкое подтверждение в цитированных выше работах.
На всех изученных уровнях организации живых систем - от клеточного до организменного - по существу по всем изученным показателям биологических процессов отмечается закономерность, которую можно определить как общебиологическую: становление циркадианных биоритмов на ранних этапах онтогенеза у млекопитающих, развитие их до максимума в молодом и зрелом возрасте и последующее поступательное угасание амплитуд в старости, что у крыс, например, является первой стадией развития цирроза печени.
Из материалов, представленных в цитированных выше работах, также следует, что в процессе онтогенеза мезоры показателей различных гомеостатических систем у млекопитающих и человека изменяются неоднозначно: одни в процессе онтогенеза устойчивы (например, некоторые показатели кислотно-основного равновесия), другие с возрастом изменяются либо в направлении увеличения, либо уменьшения.
Сопоставление архитектоники амплитудно-фазовых характеристик циркадианных биоритмов показателей различных гомеостатических систем на разных этапах постнатального онтогенеза крыс показало, что если принять за 100% (эталон) архитектонику циркадианной амплитудно-фазовой характеристики зрелого возраста и выразить результаты в относительных единицах планиметра, то по хроноструктуре, в частности углеводного гомеостаза, этапы постнатального онтогенеза будут иметь следующее значение: в инфантильном возрасте - 22,5; ювенильном - 28; молодом - 58; зрелом - 111; предстарческом - 27,9; старческом - 9.
Таким образом, используя подобный геометрический прием выражения надежности циркадианной организации биосистем, можно констатировать, что уровень надежности хроноструктуры в зрелом возрасте превышает таковой в старческом возрасте в 12,33 раза.
О максимальной надежности циркадианной организации биологических процессов в зрелом возрасте свидетельствуют не только данные, планиметрически отражающие величину циркадианной амплитуды и последовательность акрофаз в суточном цикле, но и величины хронодезмов (циркадианный размах колебаний изученных показателей в течении суток с учетом флюктуации их вешних и нижних границ, диапазон возрастной нормы). Отмечено, что в молодом и особенно зрелом возрасте все изученные показатели гомеостатических систем имеют максимальные хронодезмы. В предстарческом и особенно старческом возрасте нарастают процессы внутренней десинхронизации, внутрисистемного напряжения. Выход хронодезмов по абсолютным величинам некоторых показателей гомеостатических систем в той или иной возрастной группе за пределы хронодезмов зрелого возраста заслуживает особого внимания, так как может служить четким тестом определенного этапа онтогенеза. Анализ хронодезмов показателей гомеостатических систем открывает путь к хронобиологическим способам определения возрастной периодизации орогенеза и особенно к определению биологического возраста,
Итак, архитектоника циркадианной временной организации биологических процессов, величина амплитуд, структура хронодезмов позволяют судить о широте нормы реакции, дают возможность сделав вывод о том, что временная организация организма в зрелом возрасте характеризуется максимумом степени надежности, максимумом количества здоровья. Удаление с возрастом «по стреле» времени от этой эталонной хроноструктуры ведет к уменьшению количества здоровья в связи с дестабилизацией циркадианной временной организации, десинхронизации биоритмов. Скорость угасания амплитуды циркадианных ритмов показателей гомеостатических систем и изменения их внутренних акрофаз, по нашему мнению, вероятно, могут служить мерой оценки - биологического возраста, количества здоровья. Внутренний десинхроноз означает внутрисистемные напряжения, а стабильность системы определяется не ее элементами, а способом взаимодействия временной организации и в первую очередь ее циркадианной организации. Следовательно, признание фундаментальности циркадианной организации живых систем позволяет с хронобиологических позиций подходить к рассмотрению сущности здоровья, болезни, адаптации, а также биологического возраста (его можно по существу рассматривать как разный уровень количества здоровья в одном и том же календарном возрасте). Знание траектории циркадианных биоритмов в онтогенезе позволяет оценивать траекторию здоровья индивидуума и в определенной степени прогнозировать скорость течения биологического времени и состояния иммунитета.
Наиболее полные и системные исследования биоритмов в онтогенезе выполнены на печени кур и крыс, мышей и кроликов. В основном, за исключением работы Г. Д. Губина, биоритмы в печени изучались на самых ранних этапах онтогенеза Так, у цыплят суточные ритмы содержания гликогена в гепатоцитах исследованы в период от 7-го до 2-го дня перед вылуплением и на 1-, 2-, 5-, 12-, 14-, 16- и 32-й дни после выпулпения. В печени эмбрионов зарегистрирован 8-часовой (высокочастотный) ритм, медленно переходящий в циркадианный. Сразу после вылупления цыпленка устанавливается суточный ритм содержания гликогена, свойственный взрослому организму. Изучение изменения количества гликогена и желчных кислот в печени крыс в 3 возрастных группах (1-7-й; 8-14-й и 15-21-й день) показало, что только на 3-й неделе постнатального развития устанавливается суточный ритм этого показателя с минимумом в 16-17 ч и максимумом в 8 ч. Ритм содержания желчных кислот находится в реципрокном отношении к ритму гликогена.
Г. Д. Губин показал, что закономерные суточные колебания показателей внутриклеточного обмена печени кур, мышей, крыс и кроликов развиваются в онтогенезе. Первые признаки циркадианного ритма метаболизма гепатоцитов эмбрионов цыплят отмечаются на 19-й день развития. Становление суточного ритма в печени цыплят, свойственного взрослым птицам, происходит уже в первые 10 дней постнатального периода. Максимальный ритм биологических процессов в печени кур отмечен в 60-80-суточном возрасте. В печени эмбрионов мышей, в печени в первые дни постнатального периода у мышей, крыс и кроликов не установлено циркадианных колебаний показателей внутриклеточного обмена веществ. Достоверный циркадианный ритм в гепатоцитах мышей и крыс устанавливается только с 3-4-й недели постнатального периода.
Развитие суточной амплитуды ритма процессов обмена в печени у изученных высших позвоночных (птиц и млекопитающих), по нашему мнению, является результатом реализации наследственной информации, т. е. генотипа на определенном этапе онтогенеза, поскольку ритм - это признак. Известно, что не все признаки формируются сразу при рождении. В частности, суточная ритмичность процессов жизнедеятельности крайне необходима для зрелого организма, а не в момент рождения.
И. И. Шмальгаузен указывал, что наибольшей сложности и вместе с тем наибольшей целостности организм животных достигает в зрелом периоде. По-видимому, эта целостность, гомеостаз, достигается за счет хорошо развитой ритмичности процессов жизнедеятельности. Анализ фактического материала по биологическим ритмам с помощью исторического метода свидетельствует, что процесс эволюции получает характер развивающегося ритма, поскольку неотъемлемым «атрибутом» биологического прогресса является увеличение амплитуды между активностью и покоем, возрастание фазы активности, рост ритмичности повышения и понижения энергетического потенциала. Организмы с высоким уровнем жизнедеятельности и большой среднесуточной интенсивностью функционирования в отличие от малоактивных организмов с низким уровнем жизнедеятельности не могут существовать без периодов резкого снижения интенсивности функционирования структур, т. е. без покоя, сна, так как именно в это время суток осуществляется компенсация энергетических затрат, происшедших в деятельный период суточного жизненного цикла. Внутриклеточная динамика показателей обмена веществ печени позвоночных на протяжении суток в нормальном физиологическом состоянии отражает ритмичность динамики обмена в целом, которая и обусловливает устойчивость организма, его гомеостаз.
Формирование циркадианного ритма биологических процессов из высокочастотного, ультрадианного, и последующее его «созревание» установлены, в частности, для таких важнейших биоритмов, как сон и бодрствование, температура тела, содержание аминокислот в крови, выделение мочи и т. д.
Изменения циркадианной временной структуры организма в последующий период при старении требуют самого пристального внимания, - считает Ф. Дэвис.
Проведены новые исследования этих проблем. Биология развития становится одной из центральных проблем современного естествознания. Среди многих актуальных вопросов онтогенеза одним из главных остается соотношение отдельных этапов онтогенеза, в том числе о маркерах начала старения. Известно, что наиболее общим свойством биологических систем является способность сохранять динамическую устойчивость (самотождественность) и в то же время изменяться в соответствии с определенной программой (развиваться). Раскрытие механизмов гомеостаза, гомеорезиса (развитие) и гомеоклаза (физиологическая дестабилизация в процессе старения) невозможно без анализа общих принципов системной организации. К числу общих принципов организации живых систем относится временная организация. Нами установлено, что в процессе постнатального онтогенеза крыс каждый возрастной период характеризуется неповторимой циркадианной временной организацией по всем основным биоритмическим параметрам (мезоры, амплитуды, внутренние и внешние акрофазы, хронодезмы). Специфика циркадианной организации в онтогенезе млекопитающих животных, а также человека выявлена в исследовании параметров некоторых гомеостатических систем (углеводного, липидного, белкового, энергетического, газового, кислотно-основного баланса и др.).
В 1980 г. была выдвинута концепция, согласно которой циркадианная организация живой системы, все амплитудно-фазовые отношения испытывают изменения в онтогенезе. С этих позиций весь онтогенез представляется спиралью с постепенно возрастающими оборотами (наращивание амплитуд в циркадианной организации биологических процессов) и последующим, на поздних этапах онтогенеза, сокращением оборотов (угасание амплитуд осцилляции). В процессе онтогенеза также закономерно изменяется соотношение внутренних акрофаз показателей биологических процессов. Эта гипотеза «волчка» получила четкое подтверждение в цитированных выше работах.
На всех изученных уровнях организации живых систем - от клеточного до организменного - по существу по всем изученным показателям биологических процессов отмечается закономерность, которую можно определить как общебиологическую: становление циркадианных биоритмов на ранних этапах онтогенеза у млекопитающих, развитие их до максимума в молодом и зрелом возрасте и последующее поступательное угасание амплитуд в старости, что у крыс, например, является первой стадией развития цирроза печени.
Из материалов, представленных в цитированных выше работах, также следует, что в процессе онтогенеза мезоры показателей различных гомеостатических систем у млекопитающих и человека изменяются неоднозначно: одни в процессе онтогенеза устойчивы (например, некоторые показатели кислотно-основного равновесия), другие с возрастом изменяются либо в направлении увеличения, либо уменьшения.
Сопоставление архитектоники амплитудно-фазовых характеристик циркадианных биоритмов показателей различных гомеостатических систем на разных этапах постнатального онтогенеза крыс показало, что если принять за 100% (эталон) архитектонику циркадианной амплитудно-фазовой характеристики зрелого возраста и выразить результаты в относительных единицах планиметра, то по хроноструктуре, в частности углеводного гомеостаза, этапы постнатального онтогенеза будут иметь следующее значение: в инфантильном возрасте - 22,5; ювенильном - 28; молодом - 58; зрелом - 111; предстарческом - 27,9; старческом - 9.
Таким образом, используя подобный геометрический прием выражения надежности циркадианной организации биосистем, можно констатировать, что уровень надежности хроноструктуры в зрелом возрасте превышает таковой в старческом возрасте в 12,33 раза.
О максимальной надежности циркадианной организации биологических процессов в зрелом возрасте свидетельствуют не только данные, планиметрически отражающие величину циркадианной амплитуды и последовательность акрофаз в суточном цикле, но и величины хронодезмов (циркадианный размах колебаний изученных показателей в течении суток с учетом флюктуации их вешних и нижних границ, диапазон возрастной нормы). Отмечено, что в молодом и особенно зрелом возрасте все изученные показатели гомеостатических систем имеют максимальные хронодезмы. В предстарческом и особенно старческом возрасте нарастают процессы внутренней десинхронизации, внутрисистемного напряжения. Выход хронодезмов по абсолютным величинам некоторых показателей гомеостатических систем в той или иной возрастной группе за пределы хронодезмов зрелого возраста заслуживает особого внимания, так как может служить четким тестом определенного этапа онтогенеза. Анализ хронодезмов показателей гомеостатических систем открывает путь к хронобиологическим способам определения возрастной периодизации орогенеза и особенно к определению биологического возраста,
Итак, архитектоника циркадианной временной организации биологических процессов, величина амплитуд, структура хронодезмов позволяют судить о широте нормы реакции, дают возможность сделав вывод о том, что временная организация организма в зрелом возрасте характеризуется максимумом степени надежности, максимумом количества здоровья. Удаление с возрастом «по стреле» времени от этой эталонной хроноструктуры ведет к уменьшению количества здоровья в связи с дестабилизацией циркадианной временной организации, десинхронизации биоритмов. Скорость угасания амплитуды циркадианных ритмов показателей гомеостатических систем и изменения их внутренних акрофаз, по нашему мнению, вероятно, могут служить мерой оценки - биологического возраста, количества здоровья. Внутренний десинхроноз означает внутрисистемные напряжения, а стабильность системы определяется не ее элементами, а способом взаимодействия временной организации и в первую очередь ее циркадианной организации. Следовательно, признание фундаментальности циркадианной организации живых систем позволяет с хронобиологических позиций подходить к рассмотрению сущности здоровья, болезни, адаптации, а также биологического возраста (его можно по существу рассматривать как разный уровень количества здоровья в одном и том же календарном возрасте). Знание траектории циркадианных биоритмов в онтогенезе позволяет оценивать траекторию здоровья индивидуума и в определенной степени прогнозировать скорость течения биологического времени и состояния иммунитета.