[Биология ғажабы] Биологиялық сағаттар және олардың сағатшылары

[Биология ғажабы] Биологиялық сағаттар және олардың сағатшылары

“Биология ғажабы неде” топтамасы бізді таңғалдырып және қызықтырып қана қоймай, күнделікті көмекке келетін өмір жайлы ғылымның керемет жақтары туралы сөз қозғайды. Бірнеше ғасырлық зерттеу нәтижесінде тұтас геномдарды ашып жазу, сирек ауруларды емдеу, вакциналар мен жаңа ағзаларды жасауды меңгерсек те, биология әлі де құпиялар мен шешімі табылмаған сұрақтарға толы. Биология танымының басты құпиясының бірі ұйқы болып табылады.

Ұйқы – ағзамыздың жұмбаққа толы үрдістерінің бірі, ал біз қалай және неге нақты түнде ұйықтайтынымыз, денеміздің ұйқыға қашан жату керектігін қалай білетіні, адам неге бір уақытта шаршай бастайтыны туралы сұрақтар өз жауабын әлі де таппаған. Бұл мақалада ұйқы тақырыбына тереңірек үңіліп, бізден жасырын биологиялық сағаттар және оның сағатшылары туралы толығырақ айтамыз.

Ұйқы табиғаты

Ұйқының адам ағзасымен реттелуіне үңілмес бұрын ұйқы табиғатын түсіну керек. Ұйқы екі фазаға бөлінеді: баяу (NON-REM) ұйқы және жылдам (REM) ұйқы. Өз ретінде баяу ұйқы тағы үш кезеңге бөлінеді: N\(1\), N\(2\) және N\(3\).

Ағылшын тіліндегі REM аббревиатурасы Rapid Eye Movement деген мағынаны білдіреді, ол “көздің жылдам қозғалысы” деп аударылады.

Ұйқыға бату үрдісі баяу ұйқы фазасынан, дәлірек айтқанда N1 сатысынан басталады. Бұл ұйқы сатысында адам миы электроэнцефалограммада (ЭЭГ) байқалатын θ-толқындар (тета-толқындар) туындата бастайды. Бұл толқындар адам миымен жасалатын жүйке импульстары болып табылады, кейін оларды арнайы медициналық жабдықтама көмегімен тіркейді.

Бірінші саты гипнагогикалық галлюцинацияларымен белгілі (“гипнагогия” сөзі түс пен өң арасындағы күй деген мағынаны білдіреді). Басқаша айтқанда, саналы және санасыз күйлердің шекарасында пайда болатын ми галлюцинацияларымен танымал. Мұндай галлюцинацияларды пойызбен ұзақ саяхаттаған соң “қатты жерге” аяқ басқанан кейін әлі де тербелістер мен дөңгелектер буының дыбысын сезгенде байқауға болады. Осы саты кезінде ұйқылы-ояу адамдар жиі өз атын естігенде немесе есіктің қоңырауы елестегенде оянып кетеді және де дәл сол түсте құлау сезімі орын алады. Бұл еріксіз бұлшықет тартылуы нәтижесінде болатын гипнагогиялық жұлқыну болып табылады.

Баяу ұйқының екінші сатысында ЭЭГ-да К-комлекстары байқалатын тета-толқындар көбірек көріне бастайды, олардың артынан ұйқы ұршықтары ереді (сур. \(2\)). Толқындардың бұл түрлері сыртқы ортаны қабылдауға қатысатын когнитивті функцияларды, дәлірек айтқанда жанасу сезімдері мен дыбыстық қабылдауды басатын мидың қатты ырғақты белсенділігін көрсетеді. Оған қоса, К-комплекс толқындары жады консолидациясы, яғни бір күн ішінде алынған тәжірибе мен білімді біріктіру және сақтау дәл баяу ұйқының екінші фазасында орын алатынын айқындайды. Осылайша ұйқы арқасында біздің күндізгі саяхаттарымыз текке кетпей есте қалады және кейде болашақ түстер үшін материал ретінде қолданылады.

Сурет 2. Дереккөз.

Баяу ұйқының соңғы сатысында ЭЭГ-да дельта-толқындарды (сур. \(3\)) оңайлықпен байқауға болады. Бұл кезеңде ми толқындары сирек және баяу болады, яғни ми белсенділігі төмендеген және сыртқы тітіркендіргіштер осындай күйдегі адамды оңай оята алмайды. Дәл осы кезеңде ұйқыда сөйлеу қабілеті жиі байқалады, баршаға таныс айкезбелік те баяу ұйқының осы фазасында орын алады.

Сурет 3. Бас миының әртүрлі ырғақтары. Дереккөз 

Жылдам ұйқы (REM) немесе парадоксалды ұйқы қабақтар астындағы көздердің жылдам қозғалысымен сипатталады. Ал парадокстың өзі неде? Ми белсенділігінің мейлінше жоғары күйінде қаңқа бұлшық еттерінің толық салдануында. Осылайша эволюцияның арқасында адамдар әсерлі немесе қорқынышты түс кезінде аңдаусыз қимылдар жасамайды. Бірақ ақаулар әрдайым болып тұрады. Баяу ұйқының бірінші фазасына өткенде ұйқының сал ауруы орын алады. Ұйқының сал ауруы – адам саналы түрде ояу күйге көшіп, бірақ бұлшық еттердің айрықша салдануы кесірінен қозғала алмай қалатын жағдай. Сал ауруы бұлшық еттердің тартылуына олардың иондық каналдарымен жалғасу арқылы жол бермейтін тежегіш нейромедиаторлармен (гамма-аминомай қышқылы және глицин) жүзеге асырылады.

Бұл физиологиялық құбылыс ұйқының сал ауруын кеудеде отыратын мифологиялық жаратылыстар (сур. \(4\)) арқылы түсіндіретін көптеген діндер мен наным-сенімдерде көрініс тапқаны таңғаларлық жайт емес.

Сурет 4. Дереккөз.

Орташа есеппен алғанда адам бір түн ішінде баяу және жылдам ұйқының \(5\) циклынан өтеді. Бір цикл шамамен \(90\) минут жалғасады, баяу ұйқының үш фазасынан кейін N\(2\) сатысы қайталанып, одан кейін ғана жылдам ұйқы фазасы басталады. Әр фазаның ұзақтығы әркім үшін жеке және жас, жүйке жүйесінің жұмысы мен тұқымқуалаушылық сияқты түрлі факторларға тәуелді болып табылады.

Жылдам REM-ұйқы ояну алдындағы уақыттың көпшілік бөлігін алатынын айта кету қажет. Бұл уақыт аралығында мидың электрлік белсенділігі сергек кездегіге ұқсайды, ал адамның ағзасы түрлі жүктемелерді бастан кешіреді. Бүйрекүсті бездерінің гормондарының секрециясы өзгеруі барысында аритмия мен артериалды қысымның кенет өзгерістері байқалады, оған қоса, тыныс алу жиілейді және мидағы қанайналу артады. Дәл осы ерекше фазада адам түрлі түстер әлеміне енеді, сондықтан жақында көрген түсті есте сақтап қалу үшін дәл REM-ұйқы кезінде ояну керек.

Циркадты ырғақтар

Тірі ағзалар биологиялық сағаттар деп аталатын ішкі үйлестіру механизмдеріне ие. Ол жасуша, ұлпа мен мүшелердің жұмысын ырғақты түрде реттейді. Бұл биологиялық механизмге циркадианды (циркадты) ритм (лат. circa “маңында, жанында”+ dies “күн”) деген атау берілген.

Қазіргі таңда циркадты ырғақтар жаһандық ғылым ұжымында өте өзекті тақырып. \(2017\) жылы американдық ғалымдар – Майкл Росбаш, Майкл Янг және Джеффри Холл – физиология мен медицина бойынша Нобель сыйлығына циркадты ырғақтарды реттеуге жауап беретін молекулярлық механизмдерді зерттегені үшін ие болған.

Майкл Росбаш, Майкл Янг және Джеффри Холл. Дереккөз.

Циркадты ырғақтар зерттеу бағыты ретінде “жас” болсада, сонау 1729 жылы Жан-Жак де Меран олардың бар екендігін Mimosa pudica (Ұялшақ мимоза) жапырақтарының күнделікті қозғалысы арқасында тапты. Ол осы ерекше құбылыс туралы мынадай қорытындыға келді: “Биологиялық сағаттар тірі ағзаға уақыттық ішкі ұйымдастырылуға жол береді. Бұл физиологияның өзгеруінің уақыттық үлгісі немесе қоршаған орта өзгерісінен тәуелсіз іс-әрекет.”

“Қоршаған орта өзгерісінен тәуелсіз дегені қалай? Жарық ұйқы мен оянуға әсер етеді ғой!” – деген ой бұл анықтаманы оқыған соң бірден ойға келеді.

Циркадты ырғақтардың жарықтан тәуелділігін зерттеу үшін Жан-Жак де Меран ұялшақ мимозаны толық қараңғыға қоюды шешті (сур. \(5\)). Қатты таңқалдырғаны өсімдік күндізгі мен түнгі жарық әсеріндегідей “ұйықтау” және “оянуын” (күндіз жапырақтарын ашу мен түнде жабуын) жалғастыра берді. Сондай-ақ, француз ғалымы циркадты ырғақтардың қызықты ерекшелігін байқап қалды – бұл циклды жаңарту мүмкіндігі. Қараңғыға қойылған ұялшақ мимозаның мысалында бұл өсімдік периоды нақты күн-түн циклынан ақырын алшақтап, шынайы өмірмен үйлесуін жоғалтатын өзіндік циркадты ырғаққа ие екендігін білдіреді.

Ұялшақ мимозаның жарықтан тәуелсіз “ұйықтау” және “оянуы”. Дереккөз.

Көптеген гендердің экспрессиясын реттеуге қатысатын фитохром мен көк түс фоторецепторларының әрекеті арқасында цикл табиғи ортада күн мен түннің ауысуымен анықталады. Осылайша күндізгі жарықтың болуы биологиялық сағаттар жұмысы үшін міндетті емес, бірақ бұл олардың жұмысын әлдеқайда жеңілдетеді және ұйқы мен оянудың түсініксіз әлеміндегі өзіндік шамшырақ рөлін атқарады.

Жануарлардың биологиялық сағаттары

Өзіміз де кіретін жануарлар әлеміне оралайық. Ұйқыдан басқа биологиялық ырғақтармен реттелетін үрдістер өте көп, ең жоғарғы өнімділік уақытынан бастап кортизол гормонының секрециясы мен артериалды қысымның өзгеруіне дейін.

Биологиялық сағаттар біздің физиологиямызға едәуір әсер ететініне және сыртқы орта факторларына тәуелді емес екендігіне көз жеткізу үшін тәжірибе қойылған. Бір жас адам телефонсыз және сағатсыз терезелері жабық пәтерде өмір сүрді. Уақытты білуге көмектесетін заттардың барлығы пәтерден алынып тасталған. Ол жарықты қосу және өшіру, тамақ жасау, ұйықтау сияқты күнделікті істермен айналыса алды, бірақ оның әрбір әрекеті толығымен тек ішкі физиологиялық уақыт сезіміне негізделді. Тәжірибе нәтижелері \(5\)а суретінде көрсетілген.

Сурет 5а. Уақыт өтісімен тәжірибе қатысушысының кейбір физиологиялық қызметтерінің өзгеруі.

График сыртқы уақытты білусіз алғашқы \(15\) күн ішіндегі қашықтықта бақыланатын бес қызметтің өзгеру заңдылықтарын көрсетеді. Көрініп тұрғандай, бұл үрдістердің кезеңділігі – циркадты ырғақтардың еңбегі, және астронавттар мен сүңгуірлер осындай ерекше сый үшін табиғатқа алғыс айтады.

Тақырыптың өзіне жақындайық. Ұйқының нақты уақытта келуіне не жауап береді? Біріншіден, сүтқоректілерде бұның барлығын гипоталамустағы көру қиылысуына қарсы орналасқан супрахиазменді ядролар (СХЯ) басқарады (сур. \(6\)). Гипоталамус ядролары – мамандануы бойынша топтарға шоғырланған сол баяғы нейрондар. Олардың осындай маңызды рөл ойнайтындығын адамдар қалай білді?

Сурет 6. СХЯ орналасуы. Дереккөз. 

Тамаша тәжірибе СХЯ маңыздылығын көрсетті. Зерттеушілер генетикалық қалыпты аламандардың супрахизматикалық ядроларын жойды. Кейінірек олар әрбір аламанның миына өзгеше 20 сағаттық белсенділік периодын көрсеткен мутантты аламанның СХЯ-сын енгізді. Аламандарда СХЯ жоқ болған кезде олардың циркадты ырғақтарының белсенділігі де байқалмаған. Орын басатын СХЯ алғаннан соң аламандар циркадты ырғақтарды қайта орнатты, бірақ ырғақ кезеңдері мутанттағыдай өзгеше және қысқа болды.

Сүтқоректілердің көздерінен тарайтын жүйке байланыстары СХЯ-ға күнделікті қоршаған ортадағы жарық-қараңғылық циклы туралы ақпаратты жеткізеді. Күн мен түнді сезінуге жауап беретін жарық сенсорлары көру жүйесінің өзге бөліктерінің фоторецепторларын (йодопсин құтышалары мен родопсин таяқшалары) емес, меланопсин фотопигментін қолданатын мамандандырылған жарықсезгіш жасушалар болып табылатыны біршама қызықты.

Ұйқы гормоны

СХЯ ең басты және көп зерттелген циркадты ырғақтарды басқару орталығы болса да, ол циркадты басқарудың жалғыз анатомиялық орны емес. Ұйқы мен оянуды реттеуде маңызды рөлді орта мидың төрт төмпешігінде орналасқан томпақ без – эпифиз – ойнайды. Эпифиз триптофан аминқышқылынан синтезделетін мелатонин гормонын бөледі. Заманауи ақпараттарға сай сүтқоректілерде томпақ без тәуелсіз ырғақты болып табылмайды. Эпифиз мелатонинды СХЯ басқаруымен циркадтық ырғақтарға сай бөледі.

Бұл сағатшы-гормон кешкі уақытта бөліне бастайды, ал бөлінудің шыңы түнгі сағат \(2\)-\(3\)-ке келеді. Күннің алғашқы сәулелері көзге түсе бастағанда мелатонин деңгейі кенет төмендейді және кешке дейін бір деңгейде қалады. Мелатонин концентрациясы ұйқы уақытымен толықтай сәйкес келгендіктен мелатонинді жиі ұйқы гормоны деп атайды.

Мелатонин концентрациясының уақытқа тәуелділігі. Дереккөз.

Жас ұлғайған сайын мелатонин бөлінуінің мөлшері мен сапасы төмендейді, сондықтан қарттар көбінесе таңғы сағат \(5\)-\(6\)-да оянады. Оларға және ұйқысыздықпен ауыратын адамдарға жиі мелатонин жазып береді, себебі ол біздің ішкі биологиялық сағаттарымызды “баптауға” көмектеседі. Және де саяхатшылар оны бірнеше сағат белдеулерінен ауысатын алыс жолға алып жүруге кеңес береді, себебі джетлаг та циркадты ырғақтардың бұзылуы болып табылады, ал мелатонин жаңа ортаға тез бейімделуге көмектеседі.

Қорытынды

Осылайша адамның ұйқы мен циркадты ырғақтар туралы білімі біртіндеп жиналып, қарапайым өсімдікті бақылаудан терең молекулярлық үрдістерді зерттеуге алдыға жылжыды. Ұйқы мен циркадты ырғақтарды зерттеу басқа да мимен тікелей басқарылатын үрдістерді зерттеу сияқты оңай емес, бірақ бұл олардың зерттелуін қызықты етеді. Бұрынғы тәсілдерді жетілдіре және зерттеудің жаңа әдістерін аша отырып, ғалымдар біздің тірі әлем туралы түсінігімізді кеңейтеді және аталмыш білімдерді адамзат өмірінің гүлденуіне қолданады. Биология расымен де ғылым мен өмірдің арасын қосатын көпір және оның тамаша ғажабы осыда!

«Beyond Curriculum» қоры «Пән ғажабы неде» циклы материалдарын «Караван знаний» жобасымен серіктестікте және «Шеврон» компаниясының қолдауымен жариялауда. «Караван знаний» – жетекші қазақстандық және халықаралық сарапшылардың қатысуымен орындалған алдыңғы қатарлы білім тәжірибелерін зерттеу мен талқылау бойынша бастама.

Аударған: Бактиярова Амина