Ученые изучили связь световой среды с циркадной физиологией и метаболизмом в условиях Арктики
03.05.2024
Жители Арктики подвергаются воздействию экстремальных сезонных изменений в цикле смены дня и ночи. Весной и осенью в северных широтах быстро меняются яркость естественного света и продолжительность светлых и темных фаз в течение суток. Такие условия жизни негативно сказываются на здоровье и благополучии людей: даже после ночного отдыха они ощущают сонливость, усталость и подавленное настроение.
Свет является ключевым фактором, поддерживающим согласование внутренних биологических часов с сезонными изменениями среды. Известно, что польза света для циркадной системы и здоровья человека зависит от фазы внутренних биологических часов и уменьшается с раннего утра до позднего вечера. В определенный момент польза дневного света исчезает и появляются опасные эффекты света в ночное время. Этот поворотный момент может зависеть от внутреннего циркадного периода человека и его привычного хронотипа сна, но также может наступить, когда доступность солнечного света сильно меняется во времени, как, например, в сезоны в высоких широтах. Сезонные различия в доступности света и световой фазе наиболее резко проявляются в арктических регионах.
Чередование света и темноты управляет нашими биоритмами и циклом сна-бодрствования. Циркадную систему можно сравнить с часами: в зависимости от времени суток циклически меняются физиологическое состояние, интеллектуальные возможности и даже настроение человека. Сбои циркадных ритмов могут быть причиной ожирения, диабета, сезонного аффективного расстройства и бессонницы.
За регуляцию циркадных ритмов в соответствии с условиями освещенности отвечает мелатонин — гормон шишковидной железы. Мелатонин помогает подстроить внутренние биологические часы под внешние изменения освещенности как в течение суток, так и в зависимости от сезона. Сезонные изменения в продолжительности светлой и темновой фаз приводят к сдвигам в продолжительности и времени наступления секреции мелатонина.
В международном журнале Biology вышла статья российского коллектива исследователей о влиянии синего спектра света на метаболизм и синтез мелатонина. Среди авторов — старший научный сотрудник лаборатории генетики Института биологии КарНЦ РАН Сергей Коломейчук. Вместе со специалистами Тюменского государственного университета карельский биохимик участвует в проекте "Свет Арктики". Ученые разрабатывают и внедряют научно-обоснованные технологии автоматически настраиваемого освещения в жилых помещениях и на рабочих местах в районе Крайнего Севера.
"Нас заинтересовала реакция организма коренных и приезжих жителей на полярную ночь и полярный день. В ходе исследований мы замеряли все параметры: от веса и биохимии крови до уровня активности, экспрессии генов биологических часов, работоспособности и настроения. Следующий этап предполагает установку светового оборудования в домах участников, чтобы приблизить уровень освещённости к средней полосе, где колебания освещенности распределены более равномерно", — рассказал Сергей Коломейчук, участник исследования, старший научный сотрудник лаборатории генетики Института биологии КарНЦ РАН.
Ученые изучили связь окружающей световой среды с циркадной физиологией, сном и метаболизмом в условиях Арктики. Работа проводилась на 66-67° северной широты, где полярные летние дни длятся 30 дней, а зимой продолжительность дня составляет менее трех часов в течение 4 недель.
В качестве точки отсчета была выбрана весна (весеннее равноденствие). В течение недели местные жители заполняли дневники сна и проводили актиметрию. Этот метод позволяет отслеживать фактические время и эффективность сна, время активности днем и ночью при помощи специального устройства — актиграфа. Затем замеры повторяли в каждом сезоне: во время летнего солнцестояния, осеннего равноденствия и зимнего солнцестояния. После завершения актиграфии все участники эксперимента сдали генетический тест, биохимический анализ крови для определения кортизола и анализ слюны на содержание мелатонина.
"Мы установили, что более высокий уровень гормона стресса кортизола был связан с ранним воздействием синего спектра света. Кроме того, воздействие синего света перед сном значительно снижает метаболические превращения липидов плазмы крови и увеличивает дыхательный коэффициент — показатель соотношения окисления углеводов и жиров. Это значительно увеличивает риск ожирения из-за нарушения циркадных ритмов, влияющих на метаболизм питательных веществ в состоянии покоя", — объяснил ученый.
Кроме того, важно учитывать личный генетический профиль при планировании работ в вечернее и ночное время. Ученые сравнили освещенность в реальном времени в течение одного года у жителей Арктики и отметили, что весеннее равноденствие является наиболее комфортным временем года с точки зрения динамических характеристик освещенности, что лучше соответствует рекомендациям по суточному графику света в помещении.
"Установка систем умного освещения может предупреждать развитие сезонного аффективного расстройства, ожирения и ряда других патологий при учете индивидуальных особенностей человека и может быть востребована не только учеными, но и компаниями, ведущими добычу полезных ископаемых в труднодоступных районах Крайнего Севера", — подытожил Сергей Коломейчук.
Источник: Карельский научный центр РАН
Свет является ключевым фактором, поддерживающим согласование внутренних биологических часов с сезонными изменениями среды. Известно, что польза света для циркадной системы и здоровья человека зависит от фазы внутренних биологических часов и уменьшается с раннего утра до позднего вечера. В определенный момент польза дневного света исчезает и появляются опасные эффекты света в ночное время. Этот поворотный момент может зависеть от внутреннего циркадного периода человека и его привычного хронотипа сна, но также может наступить, когда доступность солнечного света сильно меняется во времени, как, например, в сезоны в высоких широтах. Сезонные различия в доступности света и световой фазе наиболее резко проявляются в арктических регионах.
Чередование света и темноты управляет нашими биоритмами и циклом сна-бодрствования. Циркадную систему можно сравнить с часами: в зависимости от времени суток циклически меняются физиологическое состояние, интеллектуальные возможности и даже настроение человека. Сбои циркадных ритмов могут быть причиной ожирения, диабета, сезонного аффективного расстройства и бессонницы.
За регуляцию циркадных ритмов в соответствии с условиями освещенности отвечает мелатонин — гормон шишковидной железы. Мелатонин помогает подстроить внутренние биологические часы под внешние изменения освещенности как в течение суток, так и в зависимости от сезона. Сезонные изменения в продолжительности светлой и темновой фаз приводят к сдвигам в продолжительности и времени наступления секреции мелатонина.
В международном журнале Biology вышла статья российского коллектива исследователей о влиянии синего спектра света на метаболизм и синтез мелатонина. Среди авторов — старший научный сотрудник лаборатории генетики Института биологии КарНЦ РАН Сергей Коломейчук. Вместе со специалистами Тюменского государственного университета карельский биохимик участвует в проекте "Свет Арктики". Ученые разрабатывают и внедряют научно-обоснованные технологии автоматически настраиваемого освещения в жилых помещениях и на рабочих местах в районе Крайнего Севера.
"Нас заинтересовала реакция организма коренных и приезжих жителей на полярную ночь и полярный день. В ходе исследований мы замеряли все параметры: от веса и биохимии крови до уровня активности, экспрессии генов биологических часов, работоспособности и настроения. Следующий этап предполагает установку светового оборудования в домах участников, чтобы приблизить уровень освещённости к средней полосе, где колебания освещенности распределены более равномерно", — рассказал Сергей Коломейчук, участник исследования, старший научный сотрудник лаборатории генетики Института биологии КарНЦ РАН.
Ученые изучили связь окружающей световой среды с циркадной физиологией, сном и метаболизмом в условиях Арктики. Работа проводилась на 66-67° северной широты, где полярные летние дни длятся 30 дней, а зимой продолжительность дня составляет менее трех часов в течение 4 недель.
В качестве точки отсчета была выбрана весна (весеннее равноденствие). В течение недели местные жители заполняли дневники сна и проводили актиметрию. Этот метод позволяет отслеживать фактические время и эффективность сна, время активности днем и ночью при помощи специального устройства — актиграфа. Затем замеры повторяли в каждом сезоне: во время летнего солнцестояния, осеннего равноденствия и зимнего солнцестояния. После завершения актиграфии все участники эксперимента сдали генетический тест, биохимический анализ крови для определения кортизола и анализ слюны на содержание мелатонина.
"Мы установили, что более высокий уровень гормона стресса кортизола был связан с ранним воздействием синего спектра света. Кроме того, воздействие синего света перед сном значительно снижает метаболические превращения липидов плазмы крови и увеличивает дыхательный коэффициент — показатель соотношения окисления углеводов и жиров. Это значительно увеличивает риск ожирения из-за нарушения циркадных ритмов, влияющих на метаболизм питательных веществ в состоянии покоя", — объяснил ученый.
Кроме того, важно учитывать личный генетический профиль при планировании работ в вечернее и ночное время. Ученые сравнили освещенность в реальном времени в течение одного года у жителей Арктики и отметили, что весеннее равноденствие является наиболее комфортным временем года с точки зрения динамических характеристик освещенности, что лучше соответствует рекомендациям по суточному графику света в помещении.
"Установка систем умного освещения может предупреждать развитие сезонного аффективного расстройства, ожирения и ряда других патологий при учете индивидуальных особенностей человека и может быть востребована не только учеными, но и компаниями, ведущими добычу полезных ископаемых в труднодоступных районах Крайнего Севера", — подытожил Сергей Коломейчук.
Источник: Карельский научный центр РАН