4.1 Заманауи хронобиологияның мәселелері

Хронобиология (грек. тілінен chronos – уақыт) – тірі ағзаларда уақытта өтетін және олардың күн мен ай ырғағына бейімделуінде болатын периодттық (циклдық) феномендерді зерттейтін ғылым саласы. Бұл циклды биологиялық ырғақ деп атайды. Белгілі бір уақыт аралығында биологиялық жүйелерде болатын ырғақты өзгерістерді зерттейтін саласы. Кейде биологиялық процестер мен құбылыстардың мезгіл-мезгіл қайталануын зерттейтін ғылым саласы биоритмологияны да хронобиология деп атайды. Хронобиологиялық зерттеулерге салыстырмалы анатомия, физиология, генетика, молекулярлық биология және ағзалардың мінез – құлықтық биологиясы кіреді. Ал басқа аспектілеріне түрлердің дамуы, қайта жаңаруы, экология мен эволюциясының зерттеулері де кіреді. Көптеген тірі биологиялық үрдістер тірі ағзаларда сыртқы факторлардың биологиялық белсенділігінің ұзақтығы мен деңгейінің арасында болуы. Бұл жануарларда (тамақ, түс, көбею, қыстық ұйқы, миграция, жасушалық регенерация және т.б.), өсімдіктерде (жапырақтың қозғалуы, фотосинтез және т.б.) болады. Хронобиологияда маңызды ырғақтардың бірі – бұл тәуліктік ырғақ. Мысалы, жануарлар мен өсімдіктерде физиологиялық үрдістердің 24 сағаттық циклы («циркадтық» сөзді латын тілінен «circa» аударғанда – аралық, айнала және «dies» – күн, тәулік дегенді білдіреді). Сонымен «циркадтық» немесе «циркадианды» деген тәулікаралық болады, басқа да циклдар бар, мысалға, инфрадиандық – бұл ұзақ уақытты болады. Жануарларда миграция және қайта жаңаруда, әйел адамда етеккір циклында көрінеді. Ультрадиандық ырғақ – қысқа уақытта болады. Адамдарда REM-түсінде 90 минут циклында, 3 сағаттық өсу гормонының циклында болады. Периодттық ырғақ – көбінесе теңіз жануарларында байқалады, ол 12 сағаттың ішінде судың көтерілуі мен қайтып ағуына байланысты болады.

4.2 Хронобиологияның пайда болу тарихы

Алғашқы рет циркадтық ырғақты XVIII ғасырда француз ғалымы Ж-Ж д' Орту де Меран өсімдіктерде жапырақ қозғалысынан байқаған. 1751 ж. швед ботанигі және натуралисті Карл Линней нағыз биологиялық сағат құрастырған. Ол оған тәулікте гүлденетін кейбір өсімдіктер түрлерін пайдаланған. Ол биологиялық сағатты өсімдіктерді айналмалы паттернде орналастырып гүлдердің ашылу мен жабу кезінен күннің уақытын көрсетіп анықтаған. Мысалы, «hawk's beard» өсімдігі өзінің гүлдерін таңғы 6.30-да ашқан, ал кульбаба деген өсімдік өзінің гүлдерін таңғы 7-ге дейін ашпаған. 1860 ж. орыс энтомологиялық қоғамының президенті Карл Эрнст фон Бэр әртүрлі жануарлар түрлеріндегі биологиялық уақыт және оның айырмашылығы туралы жазған, ал оны әрі қарай эксперименталды түрде дамытқан Якоб фон Икскюль болды. 1924 ж. ММУ медициналық факултетінің түлегі Александр Чижевский пәнаралық жұмысын жариялаған. Олар «Тарихи үрдістің физикалық факторы» және «Эпидемиологиялық апаттар және Күннің периодтық белсенділігі». Мұнда ол тірі ағзалардағы ай фазаларының және Күннің циклдарын қарастырған болатын. Чижевский гелиобиология деген жаңа пәнді дамытты. Бұл пән астробиологияның бір бөлімі болды. Ол 1936 ж. «Земное эхо солнечных штормов» атты жұмысын жариялағаннан кейін, 1939 ж. биологиялық физика және ғарыштық биологияның халықаралық конгресінің құрметті Президенті болып тағайындалды. Содан көп ұзамай Сталиндік репрессия кезінде ол тұтқындалып, Сібірге жіберілген болатын. Оның еңбектері жоққа шығарылды, бірақ қырық жылдан соң оның еңбектері қайта жарияланды. Оның 1928 ж. жазған «Влияние космоса на психозы человека» атты еңбегі Кеңес одағында цензураға ұшырады, сонымен бірге 2003 ж. осы жұмысқа «Journal of Circadian Rhythms» сілтеме жасап отырған, сонымен бірге 1960 ж. Cold Spring Harbor Laboratory симпозуимында әртүрлі ғылым саласының зерттеушілері бір феноменді зерттегендеріне көздері анық жетті. Міне сондықтан осында хронобиологияның жаңа ғылым ретінде дамуына сеп болды. 1960 ж. Patricia DeCoursey осы ғылымда қолданылатын негізгі құрал қисық фазалық реакция құрастырған. 1960 ж. Мишель Сифр астрономиялық уақыт туралы мәліметі жоқ көп айға жалғыз адамды үңгірге орналастырып өзінің тәжірибесін жасаған болатын. Бұл тәжірибеде 24 сағаттың тәуліктік циклының сақталуын көрсеткен. Минесото университетінен Франц Халберг «циркадианды» терминін енгізген. Оны «Америкалық хронобиология әкесі» деп санайды. «Биологиялық ырғақты зерттеу қоғамының» жетекшісі болып 1970 ж. Колин Питендрих тағайындалды. Ол эволюциялық және экологиялық аспектілермен айналысқан, ал сол уақытта Халберг адам және медицина аспектілеріне көп көңіл бөлген. Питендрих жетекші ретінде болса, көбіне өсімдіктер мен жануарларды негіз ретінде зерттеген. Орегонаның медицина ғылым университетінен Альфред Льюи жарық арқылы емдеу және мелатониннің маңызын, басқа зерттеушілер адам мен жануарлардың тәуліктік ырғағына бейімделуін зерттеген. Адам ырғаққа байланысты екі типке жіктеледі «таңғы тип» және «кешкі тип». Бұл типтерді хронотиптер деп атайды. Оларға бағалық техника мен биологиялық маркер айырмашылықтары жасалды. ХХ ғ. екінші жартысында Юрген Ашофф өзінің жарықты (параметрлік, үздіксіз, тоникалық, дискреттік, фазалық, лездік) циркадианды жүйеде феноменді алуына байланысты еңбегін сіңірген. Сонымен бірге, қоректік биологиялық сағат бар. Ол мида гипоталамустың дорсомедиалды ядросында орналасқан. Ол жұмыс көбінесе тышқандармен жүргізілген есесінен, қоректік биологиялық сағат анықталды. Биологиялық сағаттың уақыты арқылы қоректік ресурстарды орналасқан жерінен тауып алу белсенділігі анықтап шығарылды. Тірі табиғаттың барлық деңгейінің құрылымында биологиялық ырғақ анықталды. Биологиялық ырғақ биологияда – биологиялық процестер мен құбылыстардың қарқыны мен сипатындағы мезгіл-мезгіл қайталанып отыратын өзгерістер реттілігі. Биологиялық ырғақ барлық тірі организмдерге тән және ол клеткалық процестерден бастап популяциялық, биосфералық құбылыстарды қамтиды. Мұны зерттейтін ғылым саласы – биоритмология. Биологиялық ырғақ табиғи жағдайда қоршаған ортадағы құбылыстар өзгерістеріне сәйкес жүреді. «Биологиялық сағат» қызметін атқарады, организмнің уақыт пен кеңістікте бағдарлануына, қоршаған ортадағы өзгерістерге алдын-ала дайындалуға мүмкіндік береді. Табиғаттың физикалық және химиялық факторлардың әсерінен ағзалардың сезімталдығында биологиялық ырғақ анықталған. Хронофармокология – аурудың дамуынан өзгеретін, оның уақытша құрылуы қалпының және ағзалардың биологиялық ырғақ фазаларының қызметінің әсерінен дәрілерді қолдану әдісін көрсетеді. Биологиялық ырғақтың заңдылығын профилактика, диагностика, ауруды емдеу кезінде қарастырады.

Хронобиология – пәнаралық зерттеу саласы болып табылады. Ол медицинамен және т.б. ғылымдармен тығыз байланысты. Ол ағзаның ырғағының және ұйқының бұзылуының, эндокринология, гериатрия, спорттық медицина, ғарыштық медицина және фотопериодизммен байланысты. «Биоырғақ теориясы» адамдарда мінез-құлқының өзгеруінің себебінде, физиологиялық және эмоционалдық циклының негізінде болады. Биологиялық сағаттың жұмыс істеуі туралы әртүрлі ғалымдардың ой-пікірлері бар. Мысалы, Дж. Солка атындағы биологиялық зерттеулер институтының ғалымдары «дәл сол уақытта тұру» үшін адамда оған белгілі бір ген жауап беретіндігін дәлелдеді. Осының әсерінен ағзада белгілі бір фермент түзіліп, барлық жасушаларға ояну сигналын береді. Егер де бұл ген дұрыс жұмыс істемей тұрса, онда ферменттің қалыптасуы тежеледі. Осыдан басқа гендер дұрыс жұмыс атқара алмайды, сонан кейін ұйқысыздық пайда болады. Тәуліктік ырғақтардың бұзылуынан денсаулықта әртүрлі мәселелер туындайды. «Біздің ағза – сағаттардың өзіне тән коллекциясын құрайды. Осылардың бұзылуынан ағзада қартаю және созылмалы аурулар пайда болады» – деп реттеулі биология зертханасының оқытушысы, зерттеудің жетекшілерінің бірі Сатчидананда Панда айтқан.

Биологиялық сағат жұмысының альтернативті принціпінің ашылуы. Ақуызда жарықтандырылып құралған цианобактериялардың өңделуі сағаттық гендердің экспрессиясына байланысты болады. Осындай әдіс тірі жасушалардағы циркадтық механизмдердің жұмысын зерттеуге өзінін ықпалын тигізеді. Жасушадағы биохимиялық үрдістер гендік сағаттармен салыстыра отырып синхрондалады. Биохимиялық сағаттар біржасушалы жануарлар мен адам ұлпасындағы жасушаларда табылған. Циркадтық механизм эволюциясындағы зертттелетін ішкі биологиялық сағаттардың ашық типі ғылымда жаңа бетбұрыс болады. Біздің планетамызға қатысты геологиялық үрдістерді эволюциялық уақытпен өлшейміз, сонымен бірге, тарихи уақытты қолданамыз (бұл жүзжылдықтар, мыңжылдықтар), яғни астрономиялық уақыт, күнді айналып жүретін жердің уақыты. Бірақ күнделікті қолданатын астрономиялық уақыттың бір бөлігі – сағат, минут, секунд бізді қанағаттандырады. Біздің денеміз биологиялық уақытпен келісімде тұрады. Бұл жасуша бөлінуінің санына және жасушадағы хромосом дупликациясына байланысты болады. Биологиялық уақыт сыртқы ырғақтармен анықталатын өзінің «сағат пен минутына» бөлінген, яғни күн мен түннің ауысуы немесе температуралық ырғақтар және т.б. Сонымен бірге, биохимиялық уақыт бар, ол биохимиялық үрдістер арқылы анықталады. Биологиялық ырғақ өсімдіктерде жапырақтар мен күлте жапырақшалардың тәуліктік және физиологиялық өзгерістері (күзгі жапырақ тастау, қыста өркендердің қатаюы, т.б.) түрінде байқалады. Ал жануарларда биологиялық ырғақ әртүрлі физиологиялық-биохимиялық процестер (температура ауытқулары, гормондар бөлінуі, РНҚ синтезі, рибосома құрылуы, клеткалардың бөлінуі, т.б.) белсендігінің кезеңімен бейнеленеді. Жеке органдардың, тіндердің, клеткалардың тәуелсіз ырғақтары биологиялық құбылыстардың мерзімдік реттілігін құрайды, тірі ағзаларда жүретін барлық процестердің үйлесуіне негіз болады. Биологиялық ырғақ тұқым қуалайды және табиғи сұрыпталу мен ағзалардың бейімделгіштігінің маңызды факторы болып табылады.