Rytmy biologiczne

Z prowadzonych od starożytności obserwacji roślin i zwierząt wynika, że większość procesów w organizmach żywych podlega cyklicznej zmienności zwanej rytmami biologicznymi. Regularnie powtarzające się cykle związane z ruchem Ziemi wokół Słońca (pory roku), obrotem Ziemi dookoła własnej osi (dzień i noc) oraz ruchem Księżyca w relacji do Ziemi (pływy oceanów) wywarły zdecydowany wpływ na proces adaptacji, funkcjonowania i rozwoju życia na Ziemi. Rytmiczność zjawisk natury wpływa na funkcjonowanie wszystkich organizmów żywych, w tym również człowieka. Procesy biochemiczne, które zachodzą w każdym organizmie, zmieniają się w czasie. Można je scharakteryzować za pomocą takich parametrów jak okres, czyli przedział czasu, po którym następuje powtórzenie się określonego stanu danego procesu, i częstotliwość, czyli liczba cykli w czasie.

Niektóre rytmy mogą trwać tylko ułamek sekundy lub kilka, kilkanaście sekund, inne powtarzają się w cyklu okołodobowym, a jeszcze inne związane są z cyklem tygodniowym, okołomiesięcznym lub sezonowym. Rozwój osobniczy człowieka, od poczęcia do śmierci, jest wieloletnim zjawiskiem cyklicznym.

Mechanizm generowania rytmu okołodobowego

W chronobiologiichronobiologiachronobiologii najczęściej badane i najlepiej poznane są te rytmy, które wykazują cykliczność dobową. Nie zawsze pokrywają się one z 24‑godzinnym obrotem Ziemi wokół własnej osi, więc zwykle nazywa się je okołodobowymi. Rytmy okołodobowe powstają w wyniku działania tzw. zegara biologicznego – mechanizmu wewnętrznego (endogennego), który wykształcił się w toku ewolucji. Zegar biologiczny u ssaków, a więc i człowieka, znajduje się w mózgu, a dokładniej w obszarze podwzgórza mózgu zwanym jądrem nadskrzyżowaniowym (SCN, ang. suprachiasmatic nucleus). Ten parzysty narząd położony ponad skrzyżowaniem nerwów wzrokowych generuje rytmy okołodobowe sam z siebie, w sposób nie nabyty, ale uwarunkowany genetycznie.

Budowa i zasada działania zegara biologicznego

Centralną pozycję zajmuje generator rytmu. Podstawę jego działania stanowią dobowe zmiany w ekspresji genów period (w skrócie per) oraz timeless (tim). Transkrypcja tych genów jest regulowana na zasadzie sprzężenia zwrotnego przez kodowane przez nie białka – odpowiednio PER i TIM.

Zegar podlega wpływom cyklicznie zmieniających się sygnałów środowiskowych, tzw. synchronizatorów lub „dawców czasu”. Sam wysyła do narządów efektorowych informacje, które warunkują cykliczność procesów biologicznych. Dzięki temu procesy życiowe organizmów dostosowują się do zewnętrznych zmian. Dominującym „dawcą czasu” jest światło. Podobną funkcję pełnią również takie czynniki jak temperatura i wilgotność powietrza, regularność spożywania posiłków, hałas, aktywność fizyczna czy czynniki społeczne, np. ustalone godziny pracy, kontakty towarzyskie, godziny otwarcia sklepów.

O wewnętrznym pochodzeniu rytmów okołodobowych świadczą sytuacje, w których organizm nie podlega dobowym wpływom natężenia synchronizatora. Dobrym przykładem są ludzie żyjący za kołem podbiegunowym, którzy przez wiele miesięcy przebywają w pełnym oświetleniu lub bez dostępu światła. W ich przypadku zamiast 24‑godzinnego cyklu dobowego pojawia się tzw. rytm swobodnie biegnący, który może być dłuższy lub krótszy niż doba. Okres rytmu snu i czuwania człowieka zamkniętego w celach badawczych w bunkrze, przebywającego w absolutnych ciemnościach, a więc pozbawionego wskaźników czasu, wyniósł 25 godzin.

U zwierząt i człowieka w skład systemu zegarowego wchodzą także zegary zlokalizowane w komórkach narządów, które wykazują endogenną rytmikę procesów fizjologicznych.

Ciekawostka

RoGbBROhOePwO

Zdjęcie przedstawia starszego, łysiejącego mężczyznę w okularach. To Michael Morris Rosbash. Ma wysokie czoło. Krótkie włosy i krótko przyciętą brodę. Mężczyzna mówi. Ubrany jest w marynarkę, koszulę i krawat.

RlI5O6OL45grL

Zdjęcie przedstawia twarz starszego mężczyzny. To Jeffrey Connor Hall. Nosi okulary i krótką brodę. Na głowie ma kapelusz. Ubrany jest w marynarkę, koszulę i krawat.

R1TLIxAoFdcOn

Zdjęcie przedstawia starszego mężczyznę. Ma krótkie siwe włosy. Na twarzy liczne zmarszczki. Delikatnie się uśmiecha. Ubrany jest w marynarkę, koszulę i krawat.

Zjawisko rytmów dobowych jest znane od dawna, jednak poznanie jego mechanizmów molekularnych stało się możliwe dzięki wieloletniej pracy trzech naukowców: Jeffreya C. Halla, Michaela Rosbasha i Michaela W. Younga. Ich odkrycia wyjaśniające, w jaki sposób rośliny, zwierzęta i ludzie dostosowują swój rytm biologiczny do obrotów Ziemi, zostały uhonorowane w 2017 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny.

Rytmiczne okołodobowe zmiany w funkcjonowaniu organizmu człowieka istnieją na wszystkich poziomach złożoności organizmu: od cyklicznych zmian ekspresji genów w jego komórkach i aktywności tkanek oraz gruczołów, przez procesy psychiczne wyrażające się zachowaniem, aż po kontakty społeczne.

Jednym z podstawowych przejawów cykliczności naszego życia jest naprzemienność czuwania i snu. Człowiek jest z natury istotą „dzienną” – pracuje, gdy jest jasno, a kładzie się do snu, gdy zapada ciemność.

Faza czuwania też ma swój rytm. Okresy zwiększonej i zmniejszonej aktywności w ciągu dnia na ogół trwają około 90 minut. Jej wyraźny wzrost notuje się w godzinach między 8 a 12 oraz między 16 a 21. W strefach okołobiegunowych i okołozwrotnikowych rytm aktywności jest nieco inny i zależy od fluktuacji temperatur i oświetlenia.

Chronobiologia w praktyce

Znajomość rytmów dobowych człowieka przynosi wiele korzyści i ma ważne, choć ciągle niedoceniane, znaczenie praktyczne. Na co dzień nie odczuwamy, jak ważną rolę w życiu człowieka pełni zegar biologiczny i jak silny wpływ wywiera na funkcjonowanie organizmu. Dopiero w sytuacjach, gdy następuje jego „rozregulowanie”, czyli sygnały wewnętrzne przestają się zgadzać z bodźcami płynącymi z zewnątrz, pojawiają się nieprzyjemne skutki. Nawet niewielki, ale przewlekły stan braku synchronizacji, np. u osób pracujących w nocy czy często podróżujących z przekroczeniem wielu stref czasowych, może zwiększać ryzyko poważnych schorzeń.

Ciekawostka

RZIrLlb7iIrE7

Ilustracja przedstawia cztery zegary, pokazujące godziny w Londynie (21.00), Nowym Yorku (16.00), Paryżu (22.00) i w Tokio (5.00).

Dostosowanie warunków, czasu i form aktywności do możliwości organizmu ułatwia wykonywanie zadań, obniża ryzyko popełniania błędów, pozwala uniknąć nieszczęśliwych wypadków oraz wpływa na lepsze samopoczucie.

Badania dotyczące rytmów biologicznych mają również zastosowanie w farmakoterapiifarmakoterapiafarmakoterapii. Znajomość rytmu wydzielania poszczególnych hormonów i innych substancji w zależności od pory dnia czy fazy cyklu menstruacyjnego u kobiet pozwala na bardziej efektywne podawanie leków, zwiększające ich przyswajalność i ograniczające skutki uboczne. Takie podejście optymalizuje skuteczność terapii wielu chorób, np. sercowo‑naczyniowych.

Słownik