Циркадные ритмы с точки зрения эволюции человеческого организма

С точки зрения эволюции, циркадные ритмы сформировались как адаптивный механизм, позволяющий синхронизировать жизнедеятельность организмов с периодическими изменениями окружающей среды, вызванными циклическими суточными колебаниями освещённости, температуры и других факторов.

В процессе эволюции циркадная система регуляции жизненных циклов оказалась крайне выгодной для выживания и адаптации живых организмов к смене дня и ночи. Она позволяет организму заблаговременно подготовиться к предстоящим изменениям внешних условий и обеспечивает наиболее эффективное расходование энергетических ресурсов в соответствующие периоды суток.

Ключевым элементом циркадной системы являются «биологические часы» — группа клеток в супрахиазматическом ядре гипоталамуса головного мозга. Супрахиазматическое ядро (СХЯ) — это структура в мозге, которая контролирует циркадные ритмы, то есть внутренние часы организма. Оно расположено над зрительным перекрёстом (хиазмой), откуда и получило своё название. Его клетки генерируют циркадные ритмы и синхронизируют их по сигналам из внешней среды, главным образом по циклам света и темноты. Вообще, СХЯ играет ключевую роль в регуляции сна и бодрствования, температуры тела, гормональной секреции и многих других физиологических процессов. Цикл активности СХЯ составляет примерно 24 часа и синхронизируется с внешними сигналами, такими как свет. Например, когда мы видим дневной свет, он подавляет выработку мелатонина (гормона сна) и помогает нам проснуться. Когда же наступает темнота, уровень мелатонина повышается, и нам начинает хотеться спать.

Нарушение циркадных ритмов (например, при смене часовых поясов, работе в ночные смены) негативно сказывается на нашем здоровье, производительности и когнитивных способностях. Это объясняется тем, что в процессе длительной эволюции наш организм адаптировался к естественному циклу смены дня и ночи на планете.

Таким образом, циркадные ритмы — это важнейший эволюционный механизм, позволяющий живым существам оптимально приспособиться к суточным изменениям условий окружающей среды и наиболее рационально использовать свои внутренние ресурсы.

Состояние и выработка гормонов во время сна

Во время сна в организме человека происходят важные гормональные изменения, которые играют ключевую роль в процессах восстановления и регенерации. И часть этих процессов помогают нам спать и высыпаться. 

Как ведут себя гормоны во время сна и как их поведение влияет на организм, его ресурсы, сохранность?

• Мелатонин — этот гормон вырабатывается шишковидной железой (другое её название — эпифиз, это крохотная, но чрезвычайно важная часть мозга. Она отвечает не только за мелатонин и сон, но и за уровень нашей памяти, любознательность, поведение). Мелатонин отвечает за регуляцию циркадных ритмов и сна. Выработка мелатонина чётко связана с освещённостью. Его секреция повышается с наступлением темноты и достигает максимальных концентраций в период с полуночи до 4 утра, после чего начинает снижаться по мере рассвета. Таким образом, мелатонин служит универсальным сигналом, информирующим организм о наступлении ночного времени суток. В свою очередь, повышение уровня мелатонина оказывает ряд эффектов, направленных на подготовку организма ко сну и обеспечение полноценного отдыха. Во-первых, мелатонин воздействует на центральные механизмы регуляции сна, индуцируя переход в состояние сонливости и дремоты. Это происходит за счёт стимуляции специфических рецепторов в структурах головного мозга, ответственных за контроль цикла «сон-бодрствование».

Во-вторых, он оказывает общее седативное действие на периферическую нервную систему, снижая активность симпатического отдела вегетативной нервной системы. Это приводит к уменьшению тонуса сосудов, снижению артериального давления и температуры тела, замедлению частоты сердечных сокращений — физиологическим изменениям, сопровождающим переход в состояние сна.

• Гормон роста (соматотропин). Его пиковая секреция приходится на первые фазы медленного сна. Соматотропин стимулирует рост и регенерацию клеток и тканей, участвует в обмене белков и жиров. Поскольку секреция соматотропина подавляется дневным светом и стимулируется темнотой, то циркадные ритмы влияют на уровень соматотропина, а соматотропин, в свою очередь, влияет на циркадные ритмы. Однако механизм этого влияния до конца не изучен. Известно, что соматотропин может воздействовать на различные системы организма, включая нервную систему, которая играет ключевую роль в поддержании циркадных ритмов. Также возможно, что соматотропин непосредственно взаимодействует с клетками, отвечающими за регуляцию циркадных ритмов.
• Лептин или «гормон сытости» вырабатывают жировые клетки, а его уровень повышается в ночные часы. В норме он должен подавлять чувство голода и помогать регулировать обмен веществ. Но когда лептина становится слишком много, он существенно повышает риск сердечно-сосудистых заболеваний, инсульта, инфаркта, сахарного диабета. Непосредственно на циркадные ритмы лептин не влияет. Однако любое нарушение сна, изменение циркадного ритма меняют амплитуду выработки лептина, что влияет на потребление пищи (позже появляется ощущение насыщения), энергетический баланс, повышает риски ожирения.
• Грелин. Работает в паре с лептином, регулирует чувство голода и насыщения. Чем меньше мы спим, тем выше концентрация грелина в плазме крови, тем быстрее наступает ощущение голода, тем хуже сон и выше вероятность ожирения. Грелин усиливает сон с медленным движением глаз (медленный сон) — то он непосредственный участник регуляции циркадных ритмов и качества сна. Предполагается, что это его влияние осуществляется через рецепторы гормона роста (соматотропина).
• Кортизол. Его второе имя — «гормон стресса». Кора надпочечников вырабатывает его в течение дня (иногда запредельно много), а вот в период с полуночи до 4 утра его выработка минимальна — организм отдыхает от стрессов, сбрасывает давление кортизола. Уже известно, что кортизол действует как вторичный посредник между «сонными» процессами в супрахиазматическом ядре (СХЯ) гипоталамуса, центре выработки и регуляции ритмов и периферическими часами и особыми генами, которые находятся на различных тканях и участвуют в регуляции циркадных ритмов за пределами СХЯ. Кортизол играет роль «водителя ритма», синхронизируя и регулируя это взаимодействие.
• Тестостерон. У мужчин пиковый уровень этого гормона приходится на первую фазу ночного сна. Он влияет на сексуальное влечение, плотность костей, поддержание мышечной массы и другие процессы. Исследователи обнаружили, что при падении уровня тестостерона количество кортизола, циркулирующего в организме, увеличивается. Кортизол — основной гормон стресса в организме. Одной из его функций является повышение бдительности, что может привести к сокращению циклов сна и более поверхностному сну. Тестостерон изменяет циркадные ритмы клеточных часов, воздействуя на некоторые рецепторы в СХЯ.
• Пролактин. Достигает максимальной концентрации в фазе медленного сна. Он регулирует репродуктивные функции, помогает справиться со стрессом и играет определённую роль в работе иммунитета. Есть данные, что повышение уровня пролактина в ночные часы, возможно, оказывает непосредственное стимулирующее влияние на индукцию фазы медленного сна. Но вот каким образом это происходит — пока неясно.
• Аденозин. И хотя он не относится к гормонам, его роль в регуляции сна заслуживает упоминания. Это нейромедиатор, который накапливается в головном мозге в течение дня по мере расходования энергетических ресурсов и выступает в качестве ключевого нейрохимического механизма, взаимодействуя с другими нейромедиаторными системами для обеспечения нормального цикла бодрствования и сна. Нарушения в регуляции аденозиновой системы могут быть связаны с расстройствами сна, такими как бессонница и нарушение циркадных ритмов. Так, высокие уровни аденозина способствуют развитию медленноволнового, глубокого сна, так как он тормозит активность нейронов, ответственных за бодрствование. Во время сна уровень аденозина снижается, подготавливая мозг к пробуждению. Интересно, что кофеин блокирует рецепторы аденозина, приводя к временному усилению бодрствования и снижению сонливости.

Гормональная регуляция в организме человека представляет собой сложную и взаимосвязанную систему, функционирование которой определяется множеством эндогенных и экзогенных факторов. Одним из ключевых факторов, оказывающих существенное влияние на гормональные процессы, является качество и продолжительность ночного сна. Нарушения сна способны вызывать дисбаланс в функционировании эндокринной системы. Это, в свою очередь, приводит к нарушениям различных физиологических процессов в организме. Таким образом, поддержание здорового и полноценного ночного сна является важным условием для сохранения гормонального гомеостаза и, как следствие, нормального функционирования всех систем организма.

В какое время лучше ложится и вставать, и почему?

Наши биологические часы задают естественные циркадные ритмы — циклы активности и восстановления организма в течение суток. Традиционно считается, что эти ритмы тесно связаны со сменой дня и ночи. 

Согласно эволюционно сложившемуся циклу, период с 6 до 10 утра считается оптимальным временем для пробуждения и подъёма. В эти ранние утренние часы происходит снижение уровня гормона мелатонина, вырабатываемого в темноте и вызывающего сонливость. Кроме того, повышается концентрация «бодрящего» гормона кортизола. Организм как бы естественным образом «просыпается», готовясь к активному периоду. Примерно в 22–23 часа организм достигает пика выработки мелатонина, вызывающего сонливость. Поэтому идеально ложиться спать в промежуток между 22 и полуночью. Таким образом соблюдается естественная гармония с внутренними биоритмами. И пока мы спим, наш организм переходит в режим интенсивного восстановления сил. Гормоны роста, тестостерон и другие способствуют обновлению клеток и регенерации тканей.

Эта концепция, известная как «хронотипы», является развитием теории «сов» и «жаворонков». Сегодня над этой теорией, её обоснованием и особенностями работает многие исследователи. Согласно данной теории, существует пять основных хронотипов, различающихся по времени естественного засыпания и пробуждения:

• Суперранние (20:00 — 4:30).

• Ранние (21:30 — 6:00).

• Нейтральные (23:00 — 7:30).

• Поздние (12:00 — 9:00).

• Суперпоздние (2:00 — 11:00).

Эти индивидуальные биологические ритмы, заложенные в нас на генетическом уровне, определяют оптимальное время для сна и бодрствования. Около 60% взрослого населения относят себя к нейтральному типу, тогда как остальные 40% — к какому-то из ранних или поздних. К сожалению, современное общество не всегда учитывает потребности поздних и суперпоздних хронотипов, создавая трудности с соблюдением их естественных циркадных ритмов.

Согласно статистике, в России доля поздних и суперпоздних хронотипов достигает примерно 30% населения. Предполагается, что эта особенность могла сформироваться в процессе эволюции, когда часть людей оставалась бодрствующей в ночное время, обеспечивая большую безопасность для всего сообщества.

Понимание и следование своим индивидуальным биологическим ритмам является важным фактором для поддержания здорового сна и восстановления организма. Это знание позволяет человеку максимально эффективно использовать свои ресурсы и адаптироваться к требованиям современного общества.