Международный эндокринологический журнал 2 (50) 2013

Фотоперіодизм — тривалість світлового дня — найбільш стабільна у часі і просторі величина, найбільш сталий чинник зовнішнього середовища, що впродовж мільйонів років невпинно впливає на живу природу. Механізми адаптивних і патологічних процесів у живих істот нерозривно пов’язані з циклічними змінами довкілля, обертанням нашої планети навколо своєї осі і одночасно навколо Сонця. Періодична зміна дня і ночі забезпечує формування біологічних ритмів практично в усіх представників тваринного світу й людини зокрема. Фотоперіодизм — предикативний чинник для хроноперіодичної системи організму, що наявна на всіх рівнях організації живого, генерує коливання власної активності з частотами, які наближені до частот основних зовнішніх геофізичних циклів (И.И. Заморский, В.П. Пишак, 2003).

У процесі еволюції сформувався природний механізм ритмічності, що визначає всі ритми живих організмів: це зміна дня і ночі, світла і темряви. Генетично запрограмована просторово­часова система забезпечує регуляцію життєдіяльності на всіх рівнях існування живої матерії.

Циркадіанність найбільш повно віддзеркалює процес адаптації організму до зміни умов довкілля, що зумовило генетичне закріплення періодичності ритмічних коливань фізіологічних функцій.

Усі біологічні ритми чітко підпорядковані основному водію, розташованому в супрахіазматичних ядрах гіпоталамуса, нейрони яких осцилюють з 24­годинним періодом або підлаштовуються до ритму «день — ніч» освітленням. Роботу молекулярного механізму забезпечують часові гени (Per 1, Per 2, Per 3, Cry­1, Cry­2, Clock, Bmal 1/Mop 3, Tim та ін.). Світло безпосередньо впливає на роботу тих із них, що контролюють циркадіанні ритми.

Генерація циркадіанних сигналів ритмоводія складається з циклів транскрипції і трансляції відповідно, генів внутрішнього годинника та їх білкових продуктів (А.В. Разыграев и соавт., 2011). Залишається не з’ясованим механізм залучення різних нейромедіаторних систем в ампліфікацію і передачу генерованих ритмів клітинами гіпоталамуса, що продукують гонадоліберин.

Порушення функцій деяких циркадіанних генів (Per 2^–/^–, Clock/Clock) зумовлює передчасне старіння та порушення репродуктивної функції.

Фотоперіод впливає, крім гіпоталамуса, і на другий пейсмейкер — шишкоподібну залозу. Інформація про інтенсивність освітлення досягає цього органа не безпосередньо, а опосередковано, через сітківку ока, ретино­гіпоталамічний тракт, супрахіазматичні й паравентрикулярні ядра гіпоталамуса, стовбур верхньої грудної частини й латеральні інтермедіальні ядра спинного мозку і симпатичні нейрони верхнього шийного ганглія.

Таким чином, світлова інформація, що сприймається фоторецепторами сітківки, по нейронах супрахіазматичних ядер передається до шишкоподібної залози. У темряві сигнали від супрахіазматичних ядер посилюють синтез і вивільнення норадреналіну із симпатичних закінчень. У свою чергу, цей нейромедіатор збуджує рецептори на поверхні клітин шишкоподібної залози, тим самим стимулюється синтез основного гормону — мелатоніну.

Від шишкоподібної залози інформація про світловий режим довкілля надходить у внутрішнє середовище організму. Мелатонін забезпечує адаптацію ендогенних ритмів до умов довкілля, що постійно змінюються (В.П. Пішак і співавт., 2012).

Отже, за участі супрахіазматичних ядер гіпоталамуса й шишкоподібної залози здійснюється синхронізація власних біологічних ритмів відповідно до зовнішніх ритмічних змін.

Експериментально обґрунтована винятковість впливу на хроноперіодичну систему циркадіанних (добових) та циркануальних (річних) змін світлового клімату, температури, геомагнітного поля і вологості (В.Б. Чернышев, 1980).

Важливим регулятором біологічних ритмів усіх живих організмів виступає світловий чинник: освітленість, фотоперіод, спектральний склад світла і кут розташування Сонця над горизонтом у нічний період доби.

Біологічний годинник контролює різноманітні поведінкові та фізіологічні процеси, що становлять важливу генетично запрограмовану адаптацію до змін навколишнього середовища. Наразі з появою ссавців у центральній нервовій системі ви­окремлюється циркадіанний годинник, що генерує і координує всю хроноперіодичну організацію.

Тільки у ссавців зв’язок організму з довкіллям формується уже в пренатальному періоді з інформацією від ендогенних сигналів матері. Останні здатні генерувати фенотипові варіації в ранньому онтогенезі і впливати на розвиток нащадків (Г.Г. Назарова, В.И. Евсикова, 2011). Так, швидкість статевого дозрівання, зміна термінів формування репродуктивної функції прямо залежить від умов материнського середовища в період внутрішньоутробного розвитку.

Фотоперіод впливає на кількість і розподіл у крові імунних клітин у ссавців при репродуктивній адаптації до різних сезонів року. У джунгарських хом’ячків (Phodopus sungorus) при короткому світловому дні порівняно з тривалим, крім змін гемограми та субпопуляції лімфоцитів, зменшувалася маса сім’яників, концентрація тестостерону і маса тіла (S.D. Bilbo et al., 2002).

Від дії фотоперіоду у пренатальному та постнатальному онтогенезі залежить статевий розвиток самців у різних видів тварин (K.E. Edmonds, M.H. Stetson, 1995). Наприклад, у Microtus montanus та Phodopus sungorus ефект пренатального фотоперіоду визначає формування репродуктивної функції в постнатальному розвитку, тоді як у Oryzomys palustris статеве дозрівання регулюється фотоперіодом як у пренатальному, так і ранньому постнатальному онтогенезі. У сирійських хом’ячків (Mesocricetus auratus) репродуктивна функція розвивається навіть за умов тривалого фотоперіоду, а у Funambulus pennant ефект тривалого світлового дня призводить до розсмоктування ембріонів на ранніх стадіях розвитку. Проте таких змін не спостерігається, якщо надмірний світловий чинник діє в постнатальному періоді. В іншого представника ссавців Peromyscus maniculatus, навпаки, фотоперіод впливає на репродуктивну систему в ранньому постнатальному онтогенезі, але не в період внутрішньоутробного розвитку (A.K. Beery et al., 2008; K.S. Bishnupuri, C. Haldar, 2000; K.E. Edmonds, M.H. Stetson, 1995).

Очевидно, що швидкість статевого дозрівання спричинена не механічно різною тривалістю світлового дня, а певною мірою біоекологічною природою добових і циркадіанних ритмів, співвідносністю і закономірністю змін кліматичних умов і біосферних процесів під впливом сонячної активності (М.Б. Каменарович, А.С. Гранин, 2002). Варто взяти до уваги можливість впливу на циркадіанний пейсмейкер місячного циклу, інтенсивність освітлення якого близько 2 лк, а тривалість становить 24,8 год. Існує варіант, що таке настроювання ритму здійснюється екстериторіально з чіткою генетичною запрограмованістю адаптації (Z.A. Keskil, S. Keskil, 2002).

В експериментальних дослідженнях доведено, що постійне освітлення індукує пригнічення естральної функції, а збільшення тривалості світлового періоду зумовлює подовження естрального (овуляторного) циклу, а в окремих випадках призводить до його порушення (В.Н. Анисимов, И.А. Виноградова, 2006).

В умовах цілодобового освітлення протягом 5 міс. Л.О. Бондаренко і співавт. (2004) спостерігали як про­, так і антигонадні ефекти в сім’яниках залежно від тривалості гіпопінеального стану. Посилення андрогенної активності на початкових термінах (1 міс.) змінювалося прогресуючим гальмуванням інкреторної та генеративної функції сім’яників унаслідок перебудови морфоструктури: відбувалось зменшення кількості клітин Лейдіга та зумовлене цим порушення сперматогенезу.

Світлова експозиція до 24 год на добу спричиняє у мишей і щурів синдром персистуючого еструсу, що переходив в анеструс — фізіологічний еквівалент клімаксу в жінок.

У яєчниках таких тварин виникають кісти, настає гіперплазія клітин, що продукують статеві гормони.

На противагу циклічній продукції гонадотропінів, пролактину, естрогенів і прогестерону вони секретуються ациклічно, що призводить до гіпер­пластичних процесів у молочній залозі і матці. Персистуючий еструс знижує толерантність до глюкози і чутливість до інсуліну, що в кінцевому результаті порушує обмін вісцерального жиру з проявами метаболічного синдрому.

Свідченням центрального генезу формування таких зрушень під впливом постійного освітлення є зниження рівня дофаміну, функціонального антагоніста мелатоніну й норадреналіну, в гіпоталамусі та підвищення продукції ФСГ і зменшення рівня ЛГ у гіпофізі. За зміни світлового режиму порушується циркадіанний ритм синтезу мелатоніну — гормону фотоперіодичності, що гальмує секрецію гонадоліберину гіпоталамусом та гонадотропінів передньою часткою гіпофіза і, таким чином, пригнічує діяльність гонад (В.Н. Анисимов и др., 2003; В.Х. Хавинсон, 2003).

Проте існує видова залежність реакції репродуктивної системи на мелатонін. У Cricetulus griseus короткий фотоперіод (8С : 16Т) викликав вірогідне повільне зниження маси сім’яників, що зумовлено апоптозом. Щоденні ін’єкції мелатоніну (до 100 мкг на тварину) при тривалому фотоперіоді (16С : 8Т) не призводили до регресії сім’яників. Очевидно, що в цього виду тварин шишкоподібна залоза не справляє антигонадотропного ефекту (T. Harumi et al., 1995). Схожу реакцію на короткий фотоперіод спостерігали в сім’яниках Peromyscus leucopus K.A. Young et al. (2001).

Постійне освітлення підвищує поріг чутливості гіпоталамуса до пригнічуваного ефекту естрогенів у самок щурів. Цей механізм В.Н. Анисимов (2003) розглядає як ключовий у старінні репродуктивної системи ссавців і людини.

Таким чином, подовження фотоперіоду спричиняє гальмування синтезу мелатоніну і сприяє передчасному статевому дозріванню. З’ясовано, що освітлення в нічний період доби («світлове забруднення») скорочує тривалість менструального циклу в жінок із подовженим циклом.

Робота в нічні години — найбільш руйнівна, оскільки зв’язана з недостатнім сном впродовж часу, передбачуваного для відпочинку.

Згідно з повідомленнями, у 60 % медичних сестер із регулярним менструальним циклом і нічними змінами тривалість його скорочувалася менше ніж до 25 діб. Майже 70 % обстежених медичних сестер вказували на явища дисменореї.

Негативний вплив освітлення вночі підтверджується особливостями ритмічності біосинтезу індоламінів (мелатоніну і 5­метокситриптофолу) шишкоподібною залозою людини, характер якої залежить від сезонних змін тривалості світлової фази доби (М.А. Hofman et al., 1995).

Узагальнюючи наведені відомості, зазначимо, що ефекти тривалого освітлення супроводжуються: пригніченням синтезу й секреції мелатоніну, універсального ендогенного адаптогена; збільшенням синтезу й секреції пролактину; підвищенням порогу чутливості гіпоталамуса до гальмування естрогенами; індукуванням ановуляції й утворенням кіст; посиленням утворення активних форм кисню.

Навпаки, утримування тварин у темряві підвищує вироблення мелатоніну, зумовлює антигонадотропний ефект та затримує статевий розвиток (J. Arendt, 1995).

У такої групи тварин ознаки старіння репродуктивної системи з віком спостерігаються у більш пізньому періоді (И.А. Виноградова, И.В. Чернова, 2006).

Таким чином, зміна тривалості світлового дня істотно модифікує функції організму, зокрема репродуктивну.

З огляду на еволюційну винятковість значення репродуктивної функції для збереження виду на всіх етапах пренатального і постнатального розвитку ссавців і людини відслідковується чітка взаємодія з чинниками довкілля, зокрема з фотоперіодом. Ендогенні біологічні ритми взаємодіють із середовищем вже з ембріонального періоду і перших місяців після народження.

Ендогенні цикли — це канва, на яку накладаються екзогенні цикли й ритмічні впливи. Ендогенні умови формують стаціонарну складову динаміки змін обмінних процесів, а екзогенні задають коливання цієї величини (Г.Н. Крыжановский, 1973). Вирішальне значення фотоперіоду у функціонуванні репродуктивної системи необхідно розглядати з урахуванням хронобіологічних закономірностей взаємодії ендогенних й екзогенних ритмів.