Биологични часовници: Как тялото ни разбира, че времето минава?

П рез април тази година испанската спортистка Беатрис Фламини се върна към света след 500-дневен престой в пещера. Нейното спускане под земята е може би най-дългото, предприемано досега.

Biological clocks: how does our body know that time goes by? https://t.co/kNnHDXuUzt via @FR_Conversation

— Dr Kat (@DrKatSleep) September 2, 2023

Фламини каза, че загубила всякаква представа за времето на 65-ия ден. Но как да е сигурна? За сравнение, през 1962 г. французинът Мишел Сифр успял да излезе от пропастта Скарасон в Италия, след като според него прекарал там 33 дни. Всъщност той бил под земята 58 дни.

Тиктакането на часовниците на живота
Как един напълно изолиран човек може да следи времето? Много просто! Биологичните ритми са в основата на живота, регулирайки го по целия път от молекулярно ниво до това на цялото тяло. Те включват не само нашите цикли на сън и събуждане, но и телесната температура, хормоните, метаболизма, сърдечно-съдовата система и други.

Тези ритми имат много голямо влияние върху животите ни. Редица заболявания имат времеви особености - например астмата се проявява по-тежко през нощта, докато сърдечно-съдовите инциденти по-често се случват сутрин. Друг интересен пример е работата на смени, която отделя хората от тяхната среда. Това може да бъде свързано с повишен риск от рак при работниците, което подтиква СЗО да я обозначи като вероятен канцероген.

Tomorrow we start our week-long ISGlobal course on “Circadian disruption, night shift work, artificial light at night and human health effects" with a record 287 participants, many from LMICs. Looking forward to meeting all at a 1st introductory session on the (biological) clocks pic.twitter.com/7rO7YpJmVp

— Manolis Kogevinas (@KogevinasM) September 3, 2023

Ритмите влияят и на това как взаимодействаме с други видове. Например африканската трипанозомоза, наричана още сънна болест, представлява нарушение на ежедневния ни ритъм и се причинява от паразита Trypanosoma brucei, чийто метаболизъм също е ежедневен - точно както имунитета ни.

Гени: великите часовникари
Ротациите на Земята, Луната и Слънцето генерират екологични цикли, които благоприятстват „избора“ на биологични часовници.

Биологичният часовник е вътрешен механизъм за организмите, който при липса на сигнал от околната среда работи на собствена честота. Редуването на деня и нощта например благоприятстват еволюцията на циркадния часовник (circa, което означава „приблизително“, и diem, „ден“).

Day 27 of great biology papers.

"Circadian Rhythms in Man," by Jürgen Aschoff (1965).

German students were locked in a bunker for 3-4 weeks. They were given beer as part of their daily provisions. And their biological clocks went haywire.

Early work in chronobiology.
*****… pic.twitter.com/xy5gWLWbu1

— Niko McCarty 🧫 (@NikoMcCarty) July 6, 2023

Механизмът на циркадния часовник е открит за първи път при плодовата мушица, известна още като Drosophila, през 70-те години на миналия век. Той се основава на вериги за обратна връзка в транскрипцията и транслацията на няколко гена - ген A насърчава експресията на ген B, който от своя страна инхибира експресията на ген A - създавайки колебания. През деня светлината предизвиква намаляването на специфични фактори на цикъла чрез фоторецептор, наречен криптохром. Интересното е, че ключовите фактори в механизма се състоят само от няколко гена наречени период, безвременност, часовник и цикъл. Въпреки това, фините настройки и регулирането на часовника се основават на сложна молекулярна и невронна мрежа, която осигурява неговото синхронизиране и прецизност.

Няма единен всеобхватен циркаден часовник, който да организира целия живот, тъй като часовниковите гени варират. Но принципът остава същият: гени, чиято експресия се колебае. Биологичните ритми са описани във всички таксони (групи организми), изследвани досега, които включват цианобактерии (вид бактерии, които получават енергия чрез фотосинтеза), гъби, растения и животни, включително хора.

Вътрешен часовник, синхронизиран от околната среда
Едно особено следствие от този циркаден часовник се отнася до забавянето на часовете. Това е отклонението на вътрешния ритъм на индивида от времето на часовата зона, в която се намира.

Molecular Mechanism Key to Syncing Our Biological Clocks Discovered

Unlocking Time: Researchers discover a key mechanism controlling our biological clocks. The breakthrough shines a light on the genetic mutation causing Familial Advanced Sleep Phase Syndrome (FASP) and offers… pic.twitter.com/wGiEv1fKLd

— Neuroscience News (@NeuroscienceNew) May 18, 2023

Сигналите от околната среда като цяло и особено светлината помагат за синхронизирането на индивида: светлината, възприета в края на нощта, премества часовника напред, докато тази от началото на нощта, го забавя. Светлината, възприемана през деня, няма ефект. При хората светлината първо се улавя в ретината и след това се предава по ретино-хипоталамичния път към централния часовник, където модулира синтеза на часовникови протеини. Системата обаче не е безкрайно мащабируема: на човешкото тяло е необходим приблизително един ден, за да се адаптира към часова разлика от един час.

Тъй като присъщият циркаден период на Хомо сапиенс обхваща средно 24,2 часа, за нас е по-лесно да пътуваме на запад и да удължаваме дните си, отколкото да пътуваме на изток и да ги съкращаваме. Това е и причината, поради която спортисти или изследователи, които решават да се изолират в дълбините на Земята се оказват извън синхрон с времето на повърхността и остават с усещането за по-малко изминало време.

Други времена, други часовници
Циркадният часовник не е единственият часовников механизъм, който съществува в природата. Много биологични процеси са сезонни, като например миграцията на множество птици и насекоми, размножаването, зимният сън на много животински видове и цъфтежът на растенията. Тази сезонност обикновено се диктува от няколко фактора, включително от цирканния часовник. Механизмът, по който работи обаче, все още не е ясен.

Часовниковите механизми в морските видове също са неизвестни, отчасти поради сложната времева структура на океаните. Морските организми са изложени на слънчевия цикъл - на редуващи се ден и нощ, който се наслагва върху поредица от лунни цикли, най-известният от които е цикълът на приливите и отливите (с период от 12,4 часа или 24,8 часа). Полулунните и лунните цикли (14,8 дни/29,5 дни), свързани с фазите на луната, също силно модулират морската среда чрез светлина и приливи и отливи. Сезоните също оказват влияние върху тези екосистеми.

Въпреки че е сложна, времевата структура на морската среда е предвидима и биологичните ритми, свързани с всички тези цикли, са описани при изследвания на морските видове. Например, много корали синхронизират възпроизводството си, като снасят яйца веднъж годишно за много кратък период от време. Някои морски червеи се роят точно веднъж месечно, в най-тъмните часове на нощта, за да започнат своя репродуктивен танц, преди да хвърлят хайвера си и да умрат.

Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons.