Многие процессы в природе цикличны: после осени приходит зима, листья растут и опадают, птицы мигрируют, а медведи каждую зиму впадают в спячку… Такие процессы непроизвольны и управляются какими-то механизмами, заложенными природой.
Вы замечали, что если приходится не спать сутки, то сонливость проходит ближе к утру? Стоит перетерпеть критический момент, и дальше словно открывается «второе дыхание». Это связано с тем, что периоды сна и бодрствования тоже цикличны.
В прошлой статье мы затронули тему циркадных ритмов. Давайте поговорим о них подробнее.
Определение
Циркадные ритмы — это один из видов циклических колебаний биологических процессов в организме человека, связанные со сменой дня и ночи. Период этих колебаний близок к 24 часам, но может изменяться под воздействием внешних факторов. К циркадным ритмам относятся циклы сна и бодрствования, а также пищеварения.
Циркадные ритмы — это не то же самое, что и биологические ритмы, а один из механизмов биоритмов человека.
Само название «циркадные» происходит от сложения двух латинских слов — circa («около») и dies («день»). То есть период длительностью «около дня».
Главный элемент, который отвечает за циркадные ритмы, — это супрахиазматическое ядро, которое находится в передней области гипоталамуса. Гипоталамус, находится в глубине мозга и регулирует работу эндокринной системы, стимулируя работу желёз внутренней секреции, отвечает за функционирование вегетативной нервной системы. Кроме этого, сам вырабатывает несколько гормонов, например, окситоцин и вазопрессин.
Супрахиазматическое ядро — это генератор циркадных ритмов, оно состоит примерно из 100 тысяч нервных клеток, а его объём всего 1 кубический миллиметр. Оно же влияет и на выделение гормона сна, мелатонина, в эпифизе, еще одной железе, расположенной в мозге.
История открытия
Больше 100 лет исследований позволили установить связь между разными процессами в организме и влияние на них внешних факторов. Перечислим 10 основных дат в исследовании циркадных ритмов:
1. 1729 год: Жан-Жак де Меран зафиксировал, что листья мимозы демонстрируют движение в условиях полной темноты, что стало первым указанием на наличие у растений эндогенных часов.
2. 1834 год: Декандоль определил период «сна» мимозы. Он оказался в диапазоне 22-23 часов, что близко к суточному циклу.
3. 1880 год: Чарльз Дарвин совместно с сыном выдвинул гипотезу о наследственной природе циркадных ритмов. Проверяли это предположение путем скрещивания сортов фасоли, у гибридов длительность периода отличался от периода «родителей».
4. 1966-1980-е годы — «Бункерный эксперимент»: Юрген Ашофф и Рютгер Вевер из Института поведенческой физиологии Макса Планка начали экспериментировать с добровольцами в условиях отсутствия света. Для этого их помещали в бункер на несколько недель. В результате эксперимента определили эндогенный цикл человека продолжительностью около 25 часов, а циркадные ритмы мужчин немного длиннее, чем у женщин. Позже установили, что такой длинный период был связан с тем, что участники могли включать и выключать свет по собственному желанию. В контролируемых лабораторных условиях установили среднюю длительность периода в 24.2 часа.
5. 1971 год: Сеймур Бензер и Рональд Конопка идентифицировали ген period у дрозофил, продемонстрировав генетическую основу циркадных ритмов.
6. 1984 год: Джеффри Холл и Майкл Росбаш открыли механизм накопления и деградации белка PER в циркадном цикле.
7. 1994 год: Майкл Янг обнаружил ген timeless и его белок TIM, участвующий в регуляции молекулярных часов.
8. 1995 год: Эндрю Миллар использовал люциферазу для изучения Arabidopsis, выявив мутации циркадных ритмов и ген TOC1.
9. 2000-е годы: Установлена связь между нарушениями циркадных ритмов и развитием диабета, депрессии и онкологических заболеваний. Показано влияние десинхроноза на более чем 500 биологических процессов.
10. 2017 год: Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг удостоены Нобелевской премии за исследования генов period и timeless.
Обратите внимание, на дополнительные выводы из «бункерного эксперимента» (пункт 4): использование яркого света сокращает длительность периода циркадных ритмов на время до 1 часа. При интенсивном освещении (3000 люкс — это ОЧЕНЬ яркий свет) подавляется выработка мелатонина.
Что происходит в организме
Циркадные ритмы управляются супрахиазматическим ядром, расположенным в гипоталамусе.
Супрахиазматическое ядро — главный генератор циркадных ритмов у млекопитающих, влияет на выделение мелатонина в эпифизе и синхронизирует работу «биологических часов» организма. Мелатонин — это гормон сна, его уровень изменяется в течение суток. Если говорить о циркадных ритмах и абстрагироваться от многих процессов в организме, то условно сутки можно поделить на две части:
- Кортизола много и мало мелатонина – утро.
- Мелатонина много, а кортизола мало — вечер.
Утром «работает» кортизол — гормон стресса. Именно всплеск в крови кортизола помогает нам проснуться. На протяжении дня его уровень постепенно снижается.
Во второй половине дня начинает повышаться уровень мелатонина и ближе к ночи, организм начинает готовится ко сну. Ночью изменяется и уровень других гормонов:
- Стимулируется выработка гормона роста (обеспечивает рост мышц и сжигание жира) и пролактина, а также лептина (отвечает за чувство сытости).
- Снижается выработка инсулина (регулирует уровень сахара) грелина (чувство голода).
- Уменьшается синтез кортизола — гормона стресса.
Уровень мелатонина достигает своих пиковых значений в промежутке от 2 до 4 часов ночи, а к рассвету снижается, повышается уровень кортизола и цикл повторяется.
Средняя длительность цикла
Этот цикл повторяется ежедневно и его длина чуть более 24 часов. В результате одного исследования в группе из 157 человек ученые получили такие результаты:
- среди всех участников 24 часа и 9 минут (± 12 минут);
- У мужчин 24 часа 11 минут (±12 минут)
- У женщин этот период немного короче — 24 часа и 5 минут (±12 минут)
При этом период циркадных ритмов короче 24-х часов наблюдался чаще у женщин (в 35% случаев), чем у мужчин (14% от всех мужчин в группе)
Возрастные изменения
Вы помните, как постоянно просыпали первые уроки и пары, тогда как ваш дед просыпался в 5 утра, а к обеду уже шёл спать? Так вот примерно с 60-65 лет циркадные ритмы смещаются в более ранее время. Поэтому пожилые люди лучше решают задачи утром, а также часто испытывают проблемы с качеством сна.
Что влияет на длину периода
Как мы уже сказали, главные «часы» циркадных ритмов находятся в мозге и управляют работой различных систем, которые регулируют выработку гормонов и активность человека. Эти часы не работают сами по себе, а вполне себе управляются внешними факторами: светом и звуками.
Человек дольше жил и развивался с естественным освещением. Например, Homo sapiens появился около 200 тысяч лет назад, первые факелы — около 70 тысяч лет назад, масляные лампы — 5–10 тысяч лет, свечи — 3000 лет, а электрическое освещение — менее 150 лет назад.
Однако факелы, свечи и масляные лампы не могли обеспечить такое же мощное и доступное освещение, как современное. Следовательно, если и было влияние на циркадные ритмы, то не столь существенное, как в наши дни.
Здесь и рождается концепция биодинамического или человеко-ориентированного освещения. Раз освещение влияет на циркадные ритмы, то и неправильное его использование может их «испортить». Поэтому инженеры придумали как не исключить, но в должной мере снизить влияние технического прогресса на эти процессы — приблизить динамику искусственного освещения к естественному.
Что будет если нарушить этот цикл
Нарушение циркадного ритма может привести к проблемам с физическим и психологическим здоровьем. Вот основные проблемы, с которыми вы можете столкнуться:
Нарушения сна. Ночью возможны частые пробуждения или бессонница, а днём будете испытывать сонливость.
Проблемы с обменом веществ или метаболизмом. Проявляется в изменении веса без видимых причин, проблемах с уровнем сахара в крови. В результате возможно развитие диабета или ожирения.
Изменения психики и поведения. В этом случае наблюдаются перепады настроения, проблемы с концентрацией внимания.
Снижение иммунитета. Постоянная усталость приводит к проблемам с иммунной системой — частые простуды, повышается риск развития более серьезных заболеваний. Некоторые ученые заявляют о том, что нарушение циркадных ритмов повышает риск развития онкологии.
Сокращение продолжительности жизни. Как вы понимаете, перечисленные выше факторы не добавляют здоровья. Исследование на мышах показали, что продолжительность жизни сокращается в среднем на 15%. Насколько это применимо к людям? Точно сказать нельзя.
Нужно ли адаптировать освещение
Да, искусственное освещение может негативно влиять на естественные циркадные ритмы. Но от прогресса никуда не деться, если вы не дауншифтер… Поэтому можно как минимум смягчить влияние искусственного света приблизив его к естественному по части изменения интенсивности и цветовой температуры.
Для этого важно контролировать его использование, а также принимать во внимание рекомендации по части цветовой температуры и интенсивности освещения, приведенные в нормативно-технических документах, таких как СП 52.13330.2016, СанПиН 1.2.3685-21, ПП РФ №2255 от 24.12.2020 и прочих.
Когда это жизненно необходимо
Есть на свете профессии, в которых люди могут не видеть солнечного света недели, а то и месяцы. Например, космонавты, работники северных регионов и полярников. Тогда искусственное освещение единственный способ поддерживать циркадные ритмы.
Но насколько это важно для офисов и как много среди наших читателей космонавтов?
Заключение
Биодинамическое освещение имеет научное обоснование, но не является жизненной необходимостью в большинстве случаев. Важно обеспечить такой режим работы освещения в условиях, когда люди не видят солнца и длительное время находятся в помещениях, под землёй, в космосе и любых других изолированных от внешнего мира местах.
То есть, биодинамическое освещение — это в первую очередь не вид искусственного освещения или алгоритм его работы, это набор правил, которые должен соблюдать в первую очередь ЧЕЛОВЕК. Например:
- Не использовать гаджеты и яркий свет за несколько часов до сна.
- Обращать внимание на характеристики и наличие сертификатов на дисплеи, о том, что используются технологии, не вредящие зрению (речь о синем спектре).
- Следить за своим режимом труда и отдыха, сна и бодрствования.
Никакая технология не спасёт потребителя, если он использует её неверно. Технологии могут помочь адаптироваться под текущие условия, но не исключить их влияния.
Сборник статей о светодиодах для освещения.
Что такое диммирование, зачем это нужно и как.
Что такое освещенность
Люксы, люмены и ватты 1,2 часть
Почему так дорого 1,2,3,4,5,6 часть
Питание светодиодов 1,2,3,4,5,6 часть
Наш сайт:
Не забывайте подписываться на наши группы и каналы в социальных сетях: Яндекс Дзен, ВКонтакте, Телеграм, Одноклассники, Youtube.