Marina Chernysheva Tidsmessig struktur av biosystemer og biologisk tid
St. Petersburg State University
M. P. Chernysheva
TIDLIG STRUKTUR av biosystemer og biologisk TID
Super publisering
Introduksjon
Tidens natur er et av de globale problemene som vitenskapen gjentatte ganger har vendt tilbake til gjennom hele sin eksistenshistorie. Utviklingen av ideer om tid fra antikken til det 20. århundre er dypt analysert i det klassiske verket til J. Withrow "Natural Philosophy of Time" (1964), i monografiene til M. I. Elkin (1985), P. P. Gaidenko (2006) og andre forfattere. Siden det tjuende århundre har de filosofiske aspektene ved dette problemet alltid vært assosiert med naturvitenskapelige tilnærminger til løsningen (Schrodinger, 2002; Chizhevsky, 1973; Winfrey, 1986; Kozyrev, 1963, 1985, 1991; Prigozhin, etc.) . I verkene til fremragende russiske forskere finner vi ideer som ga opphav til hele trender i tidsvitenskapen. Dermed initierte I.M. Sechenov forskning på påvirkningen av fysisk aktivitet på en persons subjektive tid. I.P. Pavlov, som først beskrev tidsrefleksen, erklærte faktisk hjernens evne til å huske tidsintervaller. N.P. Perna (1925), en ansatt ved Institutt for fysiologi ved Petrograd Universitet, var den første som beskrev rytmene til en rekke menneskelige fysiologiske prosesser. D.I. Mendeleev, som beskrev bevegelsen til en blomst etter en endring i solens posisjon, demonstrerte definitivt tilstedeværelsen av en døgnrytme av plantebevegelser, hvis hormonelle mekanisme ble beskrevet senere (V.N. Polevoy, 1982). Verkene til A. A. Ukhtomsky sporer ideen om viktigheten av tidsfaktoren i nervesystemets arbeid og spesielt i dannelsen av den dominerende (Ukhtomsky, 1966; Sokolova, 2000). En av geniene fra den russiske renessansen på begynnelsen av det tjuende århundre, V.I. Vernadsky, introduserte ikke bare rubrikken av tid som er spesifikk for forskjellige systemer (geologisk, historisk, biologisk, sosial), men underbygget også ideen om biologisk tid som grunnleggende og primær, noe som gir den en "kosmisk" status på grunn av biosystemenes evne til å bevege seg og reprodusere (Vernadsky, 1989). Denne samme egenskapen til levende organismer ble understreket av E. Schrödinger (2002).
Sammen med tverrfaglige tilnærminger for å løse problemet med tidens natur (Aksenov, 2000; Vakulenko et al., 2008; Kazaryan, 2009; Koganov, 2009; Kozyrev, 1989; Korotaev, Kiktenko, 2012; Lebedev, 00, 201 , 2002, 2013; Khasanov, 2011; Churakov, 2012; Shikhobalov, 2008, etc.), har en enorm mengde forskning, fra andre halvdel av det tjuende århundre, blitt viet naturen til biologisk tid (Aschoff, 1960) ; Winfrey, 1990; Pittendrich, 1984; Alpatov, 2000; Romanov, 2000; Olovnikov, 1973, 2009; Skulachev, 1995; Zaguskin, 2004, 2007, etc.). Prestasjoner innen fysikk, kjemi, matematikk og biologi forutbestemte utviklingen av ulike nye forskningsmetoder, som gjorde det mulig å oppdage klokke-gener proteiner, som danner mekanismen for døgnrytmer for mange kroppsfunksjoner. Betydningen av aktiviteten til klokkeproteiner og klokkeoscillatoren for menneskers helse og tilpasning til rom-tidskontinuumet til miljøet har bestemt det tilsvarende tematiske fokuset til de fleste av verkene til moderne innenlandske og utenlandske forskere. I russisk biologi og medisin førte "angrepet" av de cellulære-molekylære mekanismene i biologisk tid til enestående oppdagelser: opprettelsen av telomere-redusomal teori om levealderskontroll (Olovnikov, 1973, 2009) og ideen om mitokondriers rolle i aldringsprosessen (Skulachev, 1995), så vel som for utviklingen av gerontologiske aspekter av rollen til hormoner i pinealkjertelen og thymus (Anisimov, 2010; Khavinson et al., 2011; Kvetnoy et al., 2011). Arbeidene til utenlandske forskere har identifisert funksjonene til individuelle klokkeproteiner, betingelsene for dannelsen av klokkeoscillatoren og rytmer med forskjellige tidsparametere (se Golombek et al., 2014), og også utviklet ideer om synkroniseringssystemene til klokkeoscillatorene. på ulike strukturelle nivåer av kroppen. En økende forståelse av spesifikasjonene til celle-, vev-, organ- og systemgeneratorer av temporale prosesser bestemmer begynnelsen av utenlandske forfattere til "systemtenkning" i aspektet av problemet med tid (Blum et al., 2012; Mohawk et al. , 2012). Merk at en systematisk tilnærming til studiet av dette problemet alltid har vært i oppmerksomhetsfeltet til innenlandske forskere (Chernigovsky, 1985; Barannikova et al., 2003; Kulaev, 2006; Yanvareva et al., 2005; Zhuravlev, Safonova, 2012 , etc.) . Sammen med åpenbare suksesser i studiet av biologiske objekter som er følsomme for «tidens gang» (N.A. Kozyrevs begrep), spørsmål om den tidsmessige strukturen til levende organismer, forholdet mellom celle-molekylære og systemtimere, forblir tidssensorer dårlig utviklet, og spørsmålet om tidens natur forblir åpent. Ifølge forfatteren lar et bredt spekter av studier av biosystemer utført til dags dato i verden oss foreslå visse løsninger på de oppførte problemene.
Biologisk tid
"Å forstå tidens "natur" betyr å indikere dens naturlige referent, dvs. en prosess, fenomen, "bærer" i den materielle verden, hvis egenskaper kan identifiseres eller korrespondere med egenskapene som tilskrives fenomenet tid. ”
A.P. Levich, 2000.
1.1. Livets fenomen
Uttalelsen til Alexander Petrovich Levich inkludert i epigrafen virker helt rettferdig i lys av ideene til G. Leibniz og N.A. Kozyrev om tidens energiske natur og dens "aktive egenskaper". Faktisk, analogt med historien om oppdagelsen av elektronet langs nedsenkingsstien i et skykammer, kan biologiske prosesser som har en rekke tidsmessige parametere og derfor i hovedsak er tidsmessige prosesser godt være "referenser" av tid og reflektere dens innvirkning. For å forstå "naturen" til tid i biosystemer, er det viktig å analysere faktorene som bestemmer spesifisiteten til levende organismer sammenlignet med inerte systemer
Fenomenet liv og forskjellene mellom en levende organisme og inerte systemer har alltid tiltrukket seg oppmerksomheten til filosofer og representanter for naturvitenskapene (Aristoteles, 1937; Strakhov, 2008; Vernadsky, 1989; Ukhtomsky, 1966; Schrödinger, 2002, og mange andre). Det er åpenbart at generaliteten til de grunnleggende naturlovene ikke utelukker særegenhetene ved deres manifestasjon under de spesifikke forholdene til et biosystem, inerte naturlige eller kunstige systemer. Disse inkluderer først og fremst termodynamikkens lover, som bestemmer for ethvert system muligheten og varigheten av driften, samt tidspunktet for eksistensen (forventet levealder). Ved å anerkjenne gyldigheten av termodynamikkens lover for alle objekter i universet, bemerker mange forskere spesifisiteten til manifestasjoner av termodynamikkens andre lov for levende organismer (Schrödinger, 2002; Prigogine, 2002, etc.). Blant disse, først og fremst, er umuligheten av "termisk død" for levende organismer notert på grunn av ønsket til biologiske systemer for å stabilisere nivået av entropi (Vernadsky, 1989; Prigozhin, 2002; Prigozhin, Stengers, 2000, etc.) .
Livsaktiviteten til biosystemer er basert på ulike prosesser som bruker kjemisk, mekanisk, elektrisk, lys og andre typer energi. Som kjent, når du implementerer forskjellige funksjoner (arbeid) i ethvert system, oppstår en delvis konvertering av en eller annen energi til varme, som kan gå tapt gjennom varmespredning til miljøet eller delvis forsinket, og bestemme nivået av kaos (entropi) i kroppens strukturer. Andre velkjente definisjoner av entropi er også gyldige for levende organismer: som et mål på graden av ustrukturert energistrømmer og et mål på den termodynamiske muligheten for en viss tilstand eller prosess. Mangfoldet av mulige definisjoner av entropi for et biosystem understreker også mangfoldet av måter å regulere det på.
I.R. trakk også oppmerksomhet til muligheten for fremveksten av intern tid for et komplekst system. Prigogine: når det gjelder selvorganisering, koordinerer hvert slikt system sine interne prosesser i samsvar med sin egen tid. Prigogine kalte dette systemtidens relativisme og bemerket at så snart en dissipativ struktur dannes, blir homogeniteten til rom og tid krenket. Dessuten mente han at levende systemer er utstyrt med evnen til å fornemme tidens retning. Denne tidsretningen er også notert av psykologien. Vi husker fortiden, men vi husker ikke fremtiden!
Biologisk rom og tid karakteriserer egenskapene til de romlige og tidsmessige parametrene for organiseringen av materien: den biologiske eksistensen til det menneskelige individet, endringen av arter av vegetasjon og dyr, fasene av deres utvikling. Aristoteles skilte også mellom to essenser av tid: den ene - som en parameter som registrerer forskjellige bevegelsestilstander av kropper, og den andre - som fødsel og død, dvs. som et kjennetegn på systemets alder og følgelig dets retning fra fortiden til fremtiden.
Sammen med den lineære oppfatningen av tid utvikler en person en psykologisk følelse av tidens gang, som også bestemmes av dens interne organisasjon. Denne representasjonen kalles biologisk tid, eller biologisk klokke. Biologiske klokker gjenspeiler den rytmiske naturen til prosesser i en levende organisme i form av dens reaksjon på naturens rytmer og hele universet generelt. Utseendet til biologisk tid, unikt for hvert levende system, skyldes synkroniseringen av biokjemiske prosesser i kroppen.
Siden en levende organisme er et hierarkisk system, må den balansere sin funksjon med synkronisering av alle undernivåer og undersystemer, ikke bare i tid, men også i biologisk rom. Denne synkroniseringen er assosiert med tilstedeværelsen av biorytmer i systemet. Jo mer komplekst systemet er, jo flere biorytmer har det. Den amerikanske kybernetikeren N. Winner (1894–1964) mente at «det er rytmene i hjernen som forklarer vår evne til å sanse tid».
De fleste fysiologiske prosesser for vekst, utvikling, bevegelse og metabolisme i celler er gjenstand for rytmiske endringer forårsaket av den daglige (døgn)rytmen til det ytre miljøet. Dermed har planter velkjente rytmiske sykluser med å lukke blomster og senke blader om natten og åpne dem om dagen. Dette skyldes imidlertid ikke alltid bare ekstern eksponering for lys. Den russiske biofysikeren S.E. Shnol gir et merkelig eksempel med Marans bønner, hvis blader ville falle og stige om kvelden og morgenen, selv om det var i et helt mørkt rom. Bladene så ut til å "føle" tiden og bestemme den med sin indre fysiologiske klokke. Vanligvis bestemmer planter lengden på dagen ved overgangen til fytokrompigmentet fra en form til en annen når den spektrale sammensetningen av sollys endres. "Solnedgangssolen" er "rød" fordi langbølget rødt lys spres mindre enn blått lys. Dette solnedgangs- eller skumringslyset inneholder mye rød og infrarød stråling, og planter (og kanskje dyr) fornemmer det.
En person som studerer verden er selv en struktur som endrer seg over tid, og for ham er ideer om fortiden og fremtiden betydelig forskjellige. Tidligere fungerer tiden som en generalisert koordinat, og i fremtiden har den egenskaper som avhenger av hvordan vi og andre objekter oppfører seg i nåtiden. Hvis fortiden er sikker, er fremtiden til komplekse systemer ikke helt kjent. Som sosiolog I.V. sa Bestuzhev-Lada, "fortiden kan bli kjent, men kan ikke endres, og fremtiden kan endres, men kan ikke bli kjent." Jo mer kompleks strukturen er, jo større antall mulige tilstander kan den ta på fremtidige tidspunkter. Dette er tidens tvetydighet. I tillegg tid for et individ, for dets art, slekt, klasse osv. ulike (tidsskala). For en person er det mindre, for menneskeheten er det mer. "Tidsfølelsen" for en levende organisme er alltid subjektiv: raskt når en person blir båret bort, sakte når den er inaktiv.
Disse forskjellige formene for tid og dens innvirkning på egenskapene til en persons liv og oppførsel bør manifesteres i hans utseende og hans andre egenskaper og kvaliteter. Mange psykologiske studier har tydelig vist at avhengig av en persons funksjonelle tilstand, flyter hans egen subjektive tid annerledes. Den berømte testpiloten M. Gallay beskriver et tilfelle av å studere flutter-fenomenet under en flyreise. Piloten estimerte varigheten av handlingene hans før ødeleggelsen av flyet og utstøtingen til 50-55 sekunder. Men da den "svarte boksen" ble dekryptert, viste det seg at det bare hadde gått 7 sekunder, dvs. For piloten selv ble tiden redusert 7 ganger! La oss merke seg at for en individuell person fungerer ikke tid som en uavhengig objektiv variabel (astronomisk tid), men tvert imot som en parameter avhengig av personens tilstand. Det er vanskelig for en person å oppfatte (og føle!) tid som sådan (på en måte er det et abstrakt konsept for ham). For levende organismer er den absolutte tidens gang blottet for virkelighet. Vi oppfatter ikke tid, men prosessene og endringene som skjer i løpet av den, inkludert evaluering av hendelsesforløpet.
Tidsstandarden for en person er ofte hans egen interne tid. Deres egen tid merkes for eksempel av buddhistiske munker som tilbringer lang tid i mørke huler, alene, uten astronomiske eller vanlige jordiske tidssensorer. Psykologisk forskning viser at i slike tilfeller begynner folk å leve i sin egen tid, og hvis dette fortsatte lenge nok, kunne de lage sin egen historiske kronologi.
Studiet og modelleringen av fysiologisk tid bør trolig være assosiert med dannelsen av en ny hendelsesorientert biorytmologi, som tar hensyn til den fysiologiske essensen av det som er en hendelse for en levende organisme og dens egne rytmiske mønstre. Vår fysiologiske alder avhenger ikke av hvor mange soloppganger og solnedganger vi har sett gjennom livet. Intensiteten til livsprosesser er assosiert med intern tid, den biologiske klokken. De kontrollerer også slike prosesser som volumet av cellekjernen, frekvensen av celledelinger, intensiteten av fotosyntese og cellulær respirasjon, aktiviteten til biokjemiske prosesser, etc. Det antas at denne biologiske tiden kan flyte på forskjellige måter, ujevnt, sammenlignet med fysisk (astronomisk) tid. Imidlertid bemerker vi at til dags dato har slike ujevnheter i tid ikke blitt eksperimentelt oppdaget i universet som helhet.
Den synkroniserte generelle biorytmen til kroppen faller kanskje ikke sammen med rytmen til astronomisk tid. I ung alder sykler kroppen oftere, og psykologisk ser det ut til at den astronomiske tiden går langsommere, men i høy alder går den biologiske tiden langsommere og derfor ser det ut til at den astronomiske tiden går raskere. Nå er det klart hvorfor tiden flyter annerledes for et barn og en gammel person. Den første er tregere, den andre er raskere. En persons følelse av tid er assosiert med den emosjonelle fargen på hendelsene som skjer i ham. Det er derfor i barndommen, når følelsene er sterkere, hendelser virker lengre. Smerte forlenger tiden, lykke forkorter den ("glade mennesker ser ikke timer"). En viss konflikt oppstår mellom fysisk og biologisk tid. De sier at en kvinne bare er så gammel som hun ser ut; og for en sunn person spiller det ingen rolle hvor gammel han er, det som betyr noe er hvordan og hvor gammel han føler seg. Alt er individuelt!
Generelt bestemmes kroppens helse av tilstanden og antallet av dens elementære "atomer" - celler. Hastigheten av celleutvikling, deres vekst og død vil bestemme organismens levetid. Hos ungdom er cellefornyelseshastigheten høy; i alderdommen avtar den, tidsderivatet av antall nye celler er mindre enn null, som fysikere sier. Livet er preget av intensiteten av cellefornyelse, og med aldring avtar biologisk tid, programmert av selve livets utvikling. Levetiden til cellene bestemmes av antall delinger, spesifikke for hver art. For levende organismer er det eksperimentelle bevis på at celledelingshastigheten, satt av biorytmer, til å begynne med øker, ettersom organismen utvikler seg, når den en maksimal verdi og deretter synker, ned til null med organismens naturlige død. Celler og organer holder styr på tiden i henhold til programmet som er innebygd i genomet.
Og "hvis livet har gått intensivt, så virker det nyttig og interessant" (den russiske biologen I. I. Mechnikov (1845-1916)). En lignende tanke ble uttrykt av den franske forfatteren og filosofen A. Camus (1913-1966): «Årene flyr raskt i ungdommen fordi de er fulle av hendelser, men i alderdommen drar de sakte videre fordi disse hendelsene er forhåndsbestemt.» Tilsynelatende tillot dette L. Landau å si rettferdig før sin død: «Det ser ut til at jeg levde livet mitt godt.» Og for forfatteren har mottoet alltid vært: "Bare en intens utveksling av energi med miljøet lar meg forbli en kreativ person." Den russiske biologen I. I. Arshavsky bemerket at jo mer aktiv en organisme er og med større energiforbruk, desto lengre er forventet levetid.
La oss også merke oss at tilfeldige prosesser, hvis rolle er stor i kvantestatistikk og biologi, kan realiseres fullt ut bare på uendelig lang tid, og tiden i seg selv er begrenset av verdens eksistens.
Moderne vitenskap bruker også begrepene biologisk, psykologisk og sosialt rom og tid.
I levende materie karakteriserer rom og tid særegenhetene til de spatiotemporale parameterne til organisk materiale: den biologiske eksistensen til det menneskelige individet, endringen i arter av plante- og dyreorganismer.
Rom, hvor livsfenomener oppstår, dvs. det er levende organismer og manifestasjoner av deres aggregater, er enantiomorf rom. De. dens vektorer er polare og enantiomorfe. Uten dette kunne det ikke være noen dissymmetri i levende organismer.
I det geometriske uttrykket av tiden der livsfenomener oppstår, må alle dens vektorer også være polare og enantiomorfe.
Biologisk tid kalles, assosiert med livsfenomener og tilsvarer rommet til levende organismer, som har dissymmetri.
Tidspolaritet i biologiske fenomener kommer til uttrykk i at disse prosessene er irreversible, dvs. geometrisk, på linjen A→B, er vektorene AB og BA forskjellige.
Enantiomorfi av tid kommer til uttrykk i at i en prosess som skjer over tid, opptrer dissymmetri naturlig med visse intervaller.
Egenskapene og manifestasjonen av slik tid assosiert med verdensrommet er sterkt forskjellige fra resten av rommet på planeten vår, og kan avvike fra andre tider. Dette spørsmålet kan bare løses ved empirisk studie av tid.
En slik studie viser at biologisk tid er lik geologisk tid, siden vi gjennom geologisk historie har med liv å gjøre. Biologisk tid dekker omtrent n∙10 9 år, n = 1,5÷3.
Livets begynnelse, dvs. Vi kjenner ikke begynnelsen av biologisk tid, og det finnes ingen data om slutten av biologisk tid. Denne biologiske tiden manifesterte seg i samme miljø, fordi alle levende ting kom fra levende ting. Det var en irreversibel prosess, der tid relatert til rom har polare vektorer. Dette er indikert av en enkelt prosess med utvikling av arter. beveger seg jevnt og trutt i samme retning hele tiden. Det går i ulik hastighet for ulike arter, med stopp, men generelt er bildet av dyrelivet i stadig endring, uten å stoppe eller snu. Det er typisk for noen arter å dø ut, dvs. uttalt polar natur av tidsvektorer. Spørsmålet om eksistensen av en viss tidsbegrensning for plante- og dyrearter har blitt reist mer enn en gang, men tilsynelatende bør det i generell form løses negativt, siden det er arter som alltid eksisterer uten betydelige morfologiske endringer i hundrevis av millioner år. Det mest karakteristiske, i betydningen tid i levende materie, er eksistensen av generasjoner.
Generasjoner, genetisk vekslende, endrer seg stadig i sine morfologiske egenskaper, og denne endringen skjer enten i hopp over store tidsperioder, eller omvendt akkumuleres umerkelig fra generasjon til generasjon. blir synlig først etter et stort antall generasjoner. Det er viktig at det i begge tilfeller er en irreversibel prosess som skjer over tid.
I biologisk vitenskap inntar spørsmål om den tidsmessige organiseringen av levende systemer en fremtredende plass, og dette gjelder alle biologiske nivåer av tilværelsen. Alle forstår at enhver biologisk prosess har en tidsmessig karakter. Men bare å si dette faktum hjelper ikke mye. Det er mye mer presserende å ta stilling til begrepet biologisk tid1, uten hvilken det, som det er åpenbart, er umulig å bygge en biologisk teori. I denne forbindelse må vi se etter svar på en rekke vanskelige spørsmål. Hva er tid? Finnes biologisk tid? Er biologisk tid forskjellig fra fysisk tid? Er tid knyttet til ulike nivåer av biologisk eksistens identisk? Hvordan måles biologisk tid?
Tid er varigheten (b) av noen prosesser. Varigheten av fysiske prosesser (tf) danner fysisk tid. Varigheten av biologiske prosesser (tb) er nettopp biologisk tid. Det virker åpenbart at biologisk tid er forskjellig fra fysisk tid. Men allerede på dette stadiet av analysen venter en overraskelse på oss. Mange forfattere mener at måleenhetene for fysisk og biologisk tid er de samme, for eksempel sekunder. Hvis det er sant. så er det et åpenbart paradoks: kvalitativt forskjellige fenomener skal ikke måles i samme enheter.
Stilt overfor paradokset ovenfor, er det rimelig å tenke på varighetens natur. Strengt tatt er varighet et elementært trekk ved prosesser, noe som betyr at det ikke kan bestemmes ut fra andre trekk. Men varighet kan godt sammenlignes med andre egenskaper ved objekter. Etter å ha gjort dette, er det ikke vanskelig å finne ut at varighet er en integrert egenskap ved en irreversibel prosess. Jo mer del av historien et objekt har gått gjennom, jo lengre varighet (alder). Hvis forskeren er interessert i en mer detaljert beskrivelse av prosessen, vurderer han differensial
i differensial-tidsform. Som vi ser spiller tidsbegrepet en ekstremt viktig rolle i utformingen av prosessuelle lover. Men hvilken tid skal være i nevneren? Det er ikke noe svar på dette spørsmålet ennå. Vår karakterisering av fenomenet tid er fortsatt overfladisk. Det er ekstremt viktig å forstå nøyaktig hvordan begrepet tid ble foredlet i biologien.
Karl Baer var en av de første som anerkjente problemet med biologisk tid. "Det indre livet til en person eller et dyr," bemerket han, "kan forløpe raskere eller langsommere i et gitt tidsrom ... dette indre livet er hovedmålet som vi måler tid med når vi betrakter naturen."1 Det er sannsynligvis mer riktig å si: at biologisk tid er et mål på livet til en person eller et dyr. Hvis vi bare visste hva nøyaktig dette målet består av. I denne forbindelse er det rimelig å lytte til V.I. Vernadsky. Karakteriserer biologisk tid, han bemerket at "for hver form for organismer er det en naturlig skrøpelighet dens manifestasjoner: en viss gjennomsnittlig levetid for et individ som er udelelig, hver form har sin egen rytmiske endring av generasjoner, prosessens irreversibilitet.
For liv, tid ... uttrykkes i tre forskjellige prosesser: for det første tiden for individuell eksistens, for det andre tidspunktet for endring av generasjoner uten å endre livsform og for det tredje evolusjonær tid - endringer av former, samtidig med generasjonsskifte." Det er lett å se at V.I. Vernadsky, funksjonene til organismenes skrøpelighet i prinsippet motsier ikke den tradisjonelle beregningen av kalenderen
tid i de vanlige sekunder, minutter, timer og dager. Men det er lite sannsynlig at kalendertid er både et fysisk og biologisk fenomen.
En viss avklaring av begrepet biologisk tid er lovet av læren om biorytmer, som studeres bredt og mangefasettert. I biorytmer finner den tidsmessige organiseringen, orden i biologiske fenomener, samt deres tilpasning til ytre forhold sitt mest komplette uttrykk. I sin mest tradisjonelle tolkning er biorytmologi kun assosiert med kalendervarigheter. Derfor, innenfor dens ramme, får spørsmålet om spesielle måleenheter for biologisk tid vanligvis ingen vesentlig utvikling. Men situasjonen endrer seg dramatisk når biorytmologi kompletteres med konseptet om den såkalte biologiske klokken. «I hver celle av dyr eller planter,» bemerker S.E. Shnol, - det er gener som bestemmer livets cirkadiske periodisitet. Intracellulære "klokker" justerer kursen til periodene dag og natt - lys og mørk - og er lite avhengig av temperaturendringer. I sentralnervesystemet til dyr er det de viktigste «klokkene» som styrer klokkene til andre celler.»1 Innenfor rammen av begrepet biorytmer er det rimelig å betrakte varigheten av én rytme som en tidsenhet. varigheten av rytmer varierer innenfor visse grenser, men alle rytmiske enheter er identiske med hverandre Tilsynelatende, for første gang før Det sanne begrepet biologisk tid har gått opp for oss, men la oss fortsette vår innsats for å forstå det.
Som bemerket av A. A. Detlaf og T. A. Detlaf, som fruktbart studerte problemet med biologisk tid i et kvart århundre, "har biologer gjentatte ganger møtt oppgaven med å finne en biologisk tidsenhet som ville være sammenlignbar i én dyreart under forskjellige forhold , så vel som i forskjellige typer dyr. Noen forskere har foreslått flere spesielle løsninger på dette problemet. Dessuten, i alle tilfeller ble tid ikke definert i enheter av astronomisk tid, men i brøkdeler (eller antall) av en bestemt utviklingsperiode, hvis varighet ble tatt som en tidsenhet.» De kom selv til den konklusjon at i embryologi
"Varigheten av enhver periode med embryonal utvikling kan tjene som et mål for tid."
Synspunktet der den biologiske tidsenheten er varigheten av en fysisk og kjemisk prosess av biologisk betydning, er ekstremt utbredt i moderne litteratur. Det finnes i nesten alle publikasjoner viet til problemet med biologisk tid. Veiledende er for eksempel uttalelsen til N.V. Timofeev-Resovsky: "Evolusjonstid bestemmes ikke av astronomisk tid, ikke av klokker, men av generasjoner, dvs. tid med generasjonsskifte."
Etter vår mening er begrepet biologisk tid under vurdering feil. Innholdet er en enkel overgang fra fysisk tid til biologisk tid. I hovedsak er det uttalt at
Men denne formelen er åpenbart feil, fordi venstre og høyre side inneholder verdier av forskjellige dimensjoner. Fysisk tid måles i sekunder, og biologisk tid måles i spesielle biologiske enheter, som foreslås kalt for eksempel Darwins eller Mendels. Det kan riktignok være en sammenheng mellom fysisk og biologisk tid, men etter formelen
hvor kbph er den dimensjonale proporsjonalitetskoeffisienten, som fastsetter forholdet mellom fysiske og biologiske enheter.
Gaston Backman prøvde å installere den. Han kom til og med frem til at det er en relativt enkel logaritmisk sammenheng mellom fysisk og biologisk tid i ontogenese. Men de siste dataene bekrefter ikke denne konklusjonen. Den har i hvert fall ikke den grad av universalitet som Backman antok. Kbph-koeffisienten er ikke en konstant verdi, men en "flytende" funksjon. I forhold til ulike nivåer av væren uttrykkes det av ulike, og langt fra enkle, funksjoner.
Det biologiske klokkekonseptet er utilfredsstillende i et annet henseende. Vi mener at problemet med varighetskongruens ikke ble tilstrekkelig behandlet i den. To lange-
bånd er kongruente hvis prosessene de er mål for er likeverdige. La oss si at vi vurderer en fysisk prosess hvis varighet er 10 s. I dette tilfellet, for eksempel, er det andre sekundet kongruent med det åttende eller en hvilken som helst annen. I fysikk er det ikke slik at noen periodisk prosess gjenkjennes som en klokke. En fysisk klokke er bare prosessen som sikrer at kongruensbetingelsen er oppfylt.
Det virker for oss som om tilstanden kongruens er relevant ikke bare for fysikk, men også for biologi. La oss illustrere dette med et enkelt eksempel. Vi vil anta at en viss biologisk tilstand oppnås gjennom n celledelinger. Er det alltid akseptabelt å betrakte disse inndelingene kongruente med hverandre? Svaret er negativt, fordi betydningen av disse inndelingene kan være forskjellig; det er mulig at for eksempel femte divisjon er den viktigste. Men dette betyr at kalendervarigheten til en divisjon ikke kan betraktes som en tidsenhet. Alle tidsenheter må være kongruente med hverandre. Men i det aktuelle tilfellet er ikke dette kravet oppfylt. Som en biologisk klokke er det tilrådelig å velge bare den periodiske prosessen som oppfyller kongruensbetingelsen. Selvfølgelig, etter å ha vendt seg til kongruensbetingelsen, vil forskeren måtte engasjere seg i grundig teoretisk refleksjon.
Ovenfor har vi gjentatte ganger gjort oppmerksom på behovet for et klart skille mellom begrepene fysisk og biologisk varighet. I denne forbindelse, la oss vurdere dem i sammenheng med overlegenhet og symbolsk forbindelse. På superveniencestadiet forholder forskeren seg kun til fysisk tid. På symboliseringsstadiet blir fysisk tid sett på som et symbol på biologisk tid. Vi kan si at vi snakker om den biologiske relativiteten til fysisk tid. Det er dette som ofte kommer til forskernes oppmerksomhet som styres av forholdet = Дtb.. Etter vår mening er de
uttrykker ikke tydelig spesifisiteten og uavhengigheten til biologisk tid. Hvis dette ikke finner sted, reduseres biologisk tid til fysisk tid.
Men eksisterer biologisk tid som sådan? Kanskje det er nok å snakke om den biologiske relativiteten til fysisk tid? Disse spørsmålene, som er nøkkelen til problemet med biologisk tid, diskuteres ikke av det store flertallet av forskere i det hele tatt. Etter vår mening eksisterer biologisk tid virkelig. Få mennesker tviler på realiteten til biologiske prosesser. Men det er ingen tidsmessige prosesser. Fysisk tid er det ikke
er en tilstrekkelig karakteristikk av biologiske prosesser. Denne egenskapen er biologisk tid. La oss anta at vi vurderer en rekke sekvensielle tilstander for et eller annet biologisk objekt: Do, D\, D2, Ac, der Do er starttilstanden, og Ac er slutttilstanden. Hvis en forsker ønsker å vite hvor langt et objekt har beveget seg fra sin opprinnelige tilstand til sin endelige tilstand, så har han ingen annen måte enn å bruke parameteren biologisk varighet. For eksempel er tidsmålet for tilstand Dii At%. Forskere som tviler på den biologiske tids virkelighet, kan av samme grunn tvile på virkeligheten til biologiske prosesser.
Flernivånaturen til biologiske prosesser er ledsaget av flernivånaturen til biologisk tid. Å understreke dette faktum har blitt vanlig. Et biologisk objekt kombinerer ulike biologiske tider. Vi kan si at han er mellom tidens blader. Hvis et av organene har brukt opp sin midlertidige ressurs, inntreffer individets død. Fenomenet liv forutsetter harmonien i mange former for biologisk tid.
La oss gå videre til det siste emnet i dette avsnittet, kanskje det mest relevante. Det er mange idealer i vitenskapen, men kanskje det viktigste er idealet om differensialloven. Denne loven beskriver de påfølgende stadiene i en eller annen prosess gjennom en differensialligning. Ideelt sett bør skjemaet brukes
I virkeligheten er formen som brukes
reflekterer detaljene ved en biologisk prosess. Detaljert analyse viser at biologisk analyse involverer mange trinn. Til syvende og sist finner også fenomenet biologisk tid sin forståelse. Etter vår mening, etter hvert som biologisk kunnskap utvikler seg, vil appellen til den bli mer og mer åpenbar.
Det har lenge vært bemerket at alt liv på jorden adlyder visse rytmer som er satt av globale prosesser. Dette er den daglige rotasjonen til planeten rundt sin akse og dens bevegelse langs solbanen. Levende organismer føler på en eller annen måte tid, og deres oppførsel er underlagt dens flyt. Dette manifesteres i vekslingen av perioder med aktivitet og søvn hos dyr, i åpning og lukking av blomster i planter. Hver vår vender trekkfuglene tilbake til hekkeplassene, klekker ut ungene og trekker til varmere strøk for vinteren.
Hva er en biologisk klokke?
Rytmisiteten til alle livsprosesser er en egenskap som ligger i alle innbyggere på planeten vår. For eksempel lyser marine encellede flagellater om natten. Det er ukjent hvorfor de gjør dette. Men om dagen lyser de ikke. Flagellater skaffet seg denne egenskapen under evolusjonsprosessen.
Hver levende organisme på jorden - både planter og dyr - har en intern klokke. De bestemmer frekvensen av livsaktivitet, knyttet til lengden på jordens dag. Denne biologiske klokken tilpasser kursen til frekvensen av dag og natt; den er ikke avhengig av temperaturendringer. I tillegg til daglige sykluser, er det sesongmessige (årlige) og måneperioder.
Biologisk klokke er til en viss grad et konvensjonelt konsept, som antyder evnen til levende organismer til å navigere i tid. Denne egenskapen er iboende i dem på genetisk nivå og er arvet.
Studerer mekanismen til den biologiske klokken
I lang tid ble rytmisiteten til livsprosessene til levende organismer forklart av rytmisiteten til endringer i miljøforhold: belysning, fuktighet, temperatur, atmosfærisk trykk og til og med intensiteten av kosmisk stråling. Men enkle eksperimenter har vist at den biologiske klokken fungerer uavhengig av endringer i ytre forhold.
I dag er det kjent at de er til stede i hver celle. I komplekse organismer danner klokker et komplekst hierarkisk system. Dette er nødvendig for å fungere som en helhet. Hvis noen organer og vev ikke koordineres i tide, oppstår ulike typer sykdommer. Den indre klokken er endogen, det vil si at den har en intern natur og justeres av signaler fra utsiden. Hva annet vet vi?
Biologiske klokker er arvet. De siste årene har det blitt funnet bevis for dette. Celler har klokkegener. De er gjenstand for mutasjoner og naturlig utvalg. Dette er nødvendig for å koordinere livsprosesser med jordens daglige rotasjon. Siden forholdet mellom dag- og nattlengder på forskjellige breddegrader ikke er det samme gjennom hele året, trengs også klokker for å tilpasse seg de skiftende årstidene. De må vurdere om dag og natt øker eller reduseres. Det er ingen annen måte å skille mellom vår og høst.
Ved å studere de biologiske klokkene til planter, har forskere oppdaget mekanismen som de tilpasser seg til endringer i daglengde. Dette skjer med deltakelse av spesielle fytokromregulatorer. Hvordan fungerer denne mekanismen? Fytokromenzymet finnes i to former, som endres fra den ene til den andre avhengig av tidspunktet på dagen. Resultatet er en klokke regulert av eksterne signaler. Alle prosesser i planter - vekst, blomstring - avhenger av konsentrasjonen av fytokromenzymet.
Mekanismen til den intracellulære klokken er ennå ikke fullt ut studert, men det meste av veien er dekket.
Cirkadiske rytmer i menneskekroppen
Periodiske endringer i intensiteten av biologiske prosesser er assosiert med veksling av dag og natt. Disse rytmene kalles circadian, eller circadian. Deres frekvens er omtrent 24 timer. Selv om døgnrytmer er assosiert med prosesser som skjer utenfor kroppen, er de av endogen opprinnelse.
En person har ikke organer eller fysiologiske funksjoner som ikke følger daglige sykluser. I dag er det mer enn 300 kjente.
Den menneskelige biologiske klokken regulerer følgende prosesser i samsvar med døgnrytmer:
Hjertefrekvens og pustefrekvens;
Kroppens forbruk av oksygen;
Intestinal peristaltikk;
Intensiteten til kjertlene;
Veksling av søvn og hvile.
Dette er bare de viktigste manifestasjonene.
Rytmen av fysiologiske funksjoner skjer på alle nivåer - fra endringer i cellen til reaksjoner på kroppsnivå. Eksperimenter de siste årene har vist at døgnrytmer er basert på endogene, selvopprettholdende prosesser. Den menneskelige biologiske klokken er satt til å svinge hver 24. time. De er assosiert med endringer i miljøet. Tikkingen til den biologiske klokken er synkronisert med noen av disse endringene. Det mest karakteristiske av dem er vekslingen av dag og natt og daglige temperatursvingninger.
Det antas at i høyere organismer er hovedklokken plassert i hjernen i den suprachiasmatiske kjernen til thalamus. Nervetråder fra synsnerven fører til det, og hormonet melatonin, produsert av pinealkjertelen, bringes med blodet, bl.a. Dette er et organ som en gang var det tredje øyet til gamle reptiler og beholdt funksjonene til å regulere døgnrytmer.
Biologisk klokke av organer
Alle fysiologiske prosesser i menneskekroppen skjer i en viss syklus. Temperatur, trykk og blodsukkerkonsentrasjon endres.
Menneskelige organer er underlagt en døgnrytme. I løpet av 24 timer veksler funksjonene mellom perioder med stigning og fall. Det vil si, alltid, samtidig, i 2 timer fungerer orgelet spesielt effektivt, hvoretter det går inn i avslapningsfasen. På dette tidspunktet hviler orgelet og kommer seg. Denne fasen varer også i 2 timer.
For eksempel skjer fasen med økende mageaktivitet fra 7 til 9 timer, etterfulgt av en nedgang, fra 9 til 11. Milten og bukspyttkjertelen er aktive fra 9 til 11, og hviler fra 11 til 13. For hjertet forekommer disse periodene ved 11-13 timer og 13-15. Blæren har en aktiv fase fra 15 til 17, hvile og hvile - fra 17 til 19.
Den biologiske klokken til organer er en av de mekanismene som har gjort det mulig for jordens innbyggere å tilpasse seg døgnrytmen over millioner av år med evolusjon. Men menneskeskapt sivilisasjon ødelegger stadig denne rytmen. Forskning viser at det er lett å ubalanse kroppens biologiske klokke. Det er nok bare å radikalt endre kostholdet ditt. Begynn for eksempel å spise middag midt på natten. Derfor er en streng diett et grunnleggende prinsipp. Det er spesielt viktig å observere det fra tidlig barndom, når den biologiske klokken til menneskekroppen "slutter". Forventet levealder avhenger direkte av dette.
Kronogerontologi
Dette er en ny, nylig oppstått vitenskapelig disiplin som studerer aldersrelaterte endringer i biologiske rytmer som oppstår i menneskekroppen. Kronogerontologi oppsto i skjæringspunktet mellom to vitenskaper - kronobiologi og gerontologi.
Et av forskningsemnene er funksjonsmekanismen til den såkalte "store biologiske klokken". Dette begrepet ble først introdusert i sirkulasjon av den fremragende vitenskapsmannen V. M. Dilman.
"Stor biologisk klokke" er et ganske relativt konsept. Det er snarere en modell av aldringsprosessene som skjer i kroppen. Det gir en forståelse av forholdet mellom en persons livsstil, hans matpreferanser og hans faktiske biologiske alder. Denne klokken holder styr på forventet levealder. De registrerer akkumulering av endringer i menneskekroppen fra fødsel til død.
Forløpet til den store biologiske klokken er ujevnt. De har enten det travelt eller henger etter. Fremgangen deres påvirkes av mange faktorer. De enten forkorter eller forlenger levetiden.
Prinsippet for drift av store biologiske klokker er at de ikke måler tidsperioder. De måler rytmen til prosesser, eller mer presist, tapet av det med alderen.
Forskning i denne retningen kan bidra til å løse hovedproblemet med medisin - eliminering av aldringssykdommer, som i dag er hovedhindringen for å nå artsgrensen for menneskeliv. Nå er dette tallet anslått til 120 år.
Drøm
Kroppens indre rytmer regulerer alle vitale prosesser. Tidspunktet for å sovne og våkne, varigheten av søvnen - det "tredje øyet" - thalamus - er ansvarlig for alt. Det er bevist at denne delen av hjernen er ansvarlig for produksjonen av melatonin, et hormon som regulerer menneskelige biorytmer. Nivået er underlagt daglige rytmer og reguleres av belysning av netthinnen. Med endringer i lysintensiteten øker eller reduseres melatoninnivået.
Søvnmekanismen er veldig delikat og sårbar. Forstyrrelse av vekslingen mellom søvn og våkenhet, som er iboende i mennesker av natur, forårsaker alvorlig helseskade. Konstant skiftarbeid som innebærer nattarbeid er således forbundet med høyere sannsynlighet for sykdommer som diabetes type 2, hjerteinfarkt og kreft.
I søvn slapper en person helt av. Alle organer hviler, bare hjernen fortsetter å fungere, og systematiserer informasjonen som mottas i løpet av dagen.
Redusert søvnvarighet
Sivilisasjonen gjør sine egne tilpasninger til livet. Ved å studere den biologiske søvnklokken oppdaget forskerne at moderne mennesker sover 1,5 time mindre enn mennesker på 1800-tallet. Hvorfor er det farlig å redusere tiden for nattesøvn?
Forstyrrelse av den naturlige rytmen av vekslende søvn og våkenhet fører til funksjonsfeil og forstyrrelser i funksjonen til de vitale systemene i menneskekroppen: immun, kardiovaskulær, endokrin. Mangel på søvn fører til overvekt og påvirker synet. En person begynner å føle ubehag i øynene, klarheten i bildet er svekket, og det er fare for å utvikle en alvorlig sykdom - glaukom.
Mangel på søvn provoserer forstyrrelser i funksjonen til det menneskelige endokrine systemet, og øker dermed risikoen for å utvikle en alvorlig sykdom - diabetes.
Forskere har oppdaget et interessant mønster: Forventet levealder er lengre hos personer som sover fra 6,5 til 7,5 timer. Både reduksjon og økning i søvntid fører til en nedgang i forventet levealder.
Biologisk klokke og kvinnehelse
Mange studier har blitt viet til dette problemet. En kvinnes biologiske klokke er kroppens evne til å produsere avkom. Det er et annet begrep - fruktbarhet. Vi snakker om aldersgrensen gunstig for å få barn.
For noen tiår siden viste klokken trettiårsmerket. Det ble antatt at det å realisere seg selv som mødre for det rettferdige kjønn etter denne alderen var forbundet med en risiko for helsen til kvinnen og hennes ufødte barn.
Nå har situasjonen endret seg. Antall kvinner som unnfanget barn for første gang mellom 30 og 39 år økte betydelig – 2,5 ganger – og de som gjorde det etter 40 økte med 50 %.
Likevel anser eksperter 20-24 år som en gunstig alder for morskap. Ofte vinner ønsket om å ta en utdannelse og realisere seg innen det profesjonelle feltet. Bare noen få kvinner tar ansvar for å oppdra et barn i denne alderen. Puberteten er 10 år foran følelsesmessig modenhet. Derfor er de fleste eksperter tilbøyelige til å tro at for en moderne kvinne er den optimale tiden for å føde et barn 35 år. I dag er de ikke lenger inkludert i den såkalte risikogruppen.
Biologisk klokke og medisin
Menneskekroppens respons på ulike påvirkninger avhenger av fasen av døgnrytmen. Derfor spiller biologiske rytmer en viktig rolle i medisinen, spesielt i diagnostisering og behandling av mange sykdommer. Dermed avhenger effekten av medisiner av fasen av den cirkadiske biorytmen. For eksempel, ved behandling av tenner, er den smertestillende effekten maksimal fra 12 til 18 timer.
Kronofarmakologi studerer endringer i menneskekroppens følsomhet for legemidler. Basert på informasjon om daglige biorytmer utvikles de mest effektive legemiddelregimene.
For eksempel krever rene individuelle svingninger i blodtrykket hensyn til denne faktoren når du tar medisiner for behandling av hypertensjon og iskemi. Så, for å unngå en krise, bør personer i risiko ta medisiner om kvelden, når kroppen er mest sårbar.
I tillegg til at biorytmene til menneskekroppen påvirker effekten av å ta medisiner, kan rytmeforstyrrelser forårsake ulike sykdommer. De tilhører de såkalte dynamiske plagene.
Desynkronose og dens forebygging
Dagslys er av stor betydning for menneskers helse. Det er sollys som gir naturlig synkronisering av biorytmer. Hvis belysningen er utilstrekkelig, som om vinteren, oppstår det en feil. Dette kan være årsaken til mange sykdommer. Psykiske (depressive tilstander) og fysiske (nedsatt generell immunitet, svakhet, etc.) utvikles. Årsaken til disse lidelsene ligger i desynkronose.
Desynkronose oppstår når menneskekroppens biologiske klokke ikke fungerer. Årsakene kan være forskjellige. Desynkronose oppstår ved endring av tidssoner over en lengre periode, i tilpasningsperioden ved overgang til vintertid (sommertid), ved skiftarbeid, avhengighet av alkohol og spiseforstyrrelser. Dette kommer til uttrykk i søvnforstyrrelser, migreneanfall, nedsatt oppmerksomhet og konsentrasjon. Som et resultat kan apati og depresjon oppstå. For eldre mennesker er tilpasning vanskeligere og det tar lengre tid.
For å forhindre desynkronose og riktige kroppsrytmer, brukes stoffer som kan påvirke fasene i biologiske rytmer. De kalles kronobiotika. De finnes i medisinske planter.
Den biologiske klokken egner seg godt til korreksjon ved hjelp av musikk. Det bidrar til å øke arbeidsproduktiviteten når du utfører monotont arbeid. Søvnforstyrrelser og nevropsykiatriske sykdommer behandles også ved hjelp av musikk.
Rytme i alt er måten å forbedre livskvaliteten på.
Praktisk betydning av biorytmologi
Den biologiske klokken er gjenstand for seriøs vitenskapelig forskning. Kundene deres inkluderer mange sektorer av økonomien. Resultatene av å studere de biologiske rytmene til levende organismer blir vellykket brukt i praksis.
Kunnskap om livsrytmene til husdyr og kulturplanter er med på å øke effektiviteten i landbruksproduksjonen. Jegere og fiskere bruker denne kunnskapen.
Medisinsk vitenskap tar hensyn til daglige svingninger i fysiologiske prosesser i kroppen. Effektiviteten av å ta medisiner, kirurgiske inngrep, utføre medisinske prosedyrer og manipulasjoner avhenger direkte av den biologiske klokken til organer og systemer.
Prestasjonene til biorytmologi har lenge blitt brukt til å organisere arbeids- og hvileregimet til flybesetninger. Arbeidet deres innebærer å krysse flere tidssoner på en flytur. Å eliminere de negative effektene av denne faktoren er svært viktig for å opprettholde helsen til flyselskapets personell.
Det er vanskelig å klare seg uten prestasjonene til biorytmologi i rommedisin, spesielt når man forbereder seg på lange flyvninger. Vidtgående grandiose planer om å skape menneskelige bosetninger på Mars vil tilsynelatende ikke være mulig uten å studere særegenhetene ved funksjonen til den menneskelige biologiske klokken under forholdene på denne planeten.