Zegar w mózgu

Skąd nasz organizm „wie” kiedy powinien być w pełni aktywny, a kiedy spać?

Skąd nasz organizm „wie” kiedy powinien być w pełni aktywny, a kiedy spać? Dlaczego w ciągu doby cyklicznie zmienia się jego temperatura czy poziom produkowanych hormonów? Czy to po prostu efekt rytmu dnia i nocy – odwiecznego zegara natury? A jeśli to kwestia światła, co w takim razie dzieje się z rytmami dobowymi ludzi niewidomych?

 

TEKST: MAŁGORZATA GUT

Zjawisko odmierzania czasu przez organizmy żywe zostało wykryte już w początkach XVIII wieku. Badacze zaintrygowani zaobserwowaną w świecie przyrody niezwykle precyzyjną cyklicznością, zastanawiali się, co pełni rolę szczególnego rodzaju zegara biologicznego, gdzie jest on zlokalizowany, jak pracuje i wreszcie: co “nakręca” jego, jak słusznie przypuszczano, wewnętrzny mechanizm. W każdym organizmie żywym zachodzi szereg procesów biochemicznych, które zmieniają się w czasie. Każdy cykl powtarza się z określoną częstością, a więc można go scharakteryzować za pomocą takich parametrów, jak okres i częstotliwość. W związku z tym wyróżniamy rytmy cirkadialne (okołodobowe, z okresem równym ok. 24 h), infradialne (o okresie dłuższym od 24 h, np. rytm pór roku, cykl menstruacyjny) i ultradialne (których okres jest krótszy niż 24 h, np. praca serca, czynność oddechowa). 

Przez długi czas uważano, że sygnałem uruchamiającym mechanizm zegara biologicznego jest bodziec w postaci przejścia organizmu z okresu światła do okresu ciemności i na odwrót. Sądzono, że czynniki środowiska (np. właśnie światło słoneczne) działają, jako siły wywołujące różnego typu oscylacje procesów fizjologicznych takich jak aktywność ruchowa, produkcja hormonów czy wahania temperatury ciała.

Obecnie nagromadzono dostatecznie dużo dowodów na to, aby twierdzić, że wszystkie organizmy żywe mierzą czas na innej zasadzie, a mianowicie poprzez działanie wewnętrznych (endogennych) procesów cyklicznych, rytmicznie powtarzających się w ciągu doby. Twórca chronobiologii (nauki zajmującej się rytmami w przyrodzie), Jürgen Aschoff, dowiódł także, że organizmy dziedziczą po obojgu rodziców zdolność do ujawniania endogennych rytmów.
Ważne jednak, aby uświadomić sobie, że temperatura otoczenia, światło czy położenie geograficzne nie są elementami pozbawionymi zupełnie znaczenia, gdyż organizmy żywe “dostrajają” swoje rytmy biologiczne do czasowych zmian środowiska zewnętrznego, innymi słowy - synchronizują z nimi. Rytmicznie działające czynniki środowiska, które są w stanie synchronizować procesy endogenne organizmu zostały nazwane “Zeitgeber” lub “dawcami czasu”. Aschoff twierdził, że generalnym dawcą czasu jest światło, ale nie wykluczał wpływu takich Zeitgeber, jak: dostęp do pokarmu, dostęp do wody, zmiany temperatury, czynnik socjalny, czynnik emocjonalny, dźwięk, pole elektromagnetyczne, ciśnienie atmosferyczne. Niemożliwą rzeczą jest wyeliminowanie wszystkich czynników zewnętrznych, gdyż na przebieg rytmiki organizmu zawsze oddziałuje jakiś dawca czasu, choćby pole elektromagnetyczne Ziemi, czy obrót naszej planety dookoła Słońca i własnej osi.

Gdzie jest zegar?

W latach 60-tych XX w. umiejscowiono zegar biologiczny poprzez doświadczalne usuwanie tzw. jąder nadskrzyżowaniowych, struktury znajdującej się w podwzgórzu. Okazało się, że uszkodzenie tej struktury mózgu skutecznie upośledza przebieg rytmiki okołodobowej. Ponadto zaobserwowano, że jądra nadskrzyżowaniowe wykazują cykliczność impulsów nerwowych w swoich neuronach. Innymi, również istotnymi dla generowania rytmiki dobowej, strukturami mózgowymi są np. tzw. listki ciała kolankowatego bocznego czy jądra szwu.
Ważną cechą zegara biologicznego jest to, że stale “tyka” bez względu na wpływ otoczenia, zaś rytmiczne fluktuacje warunków środowiska wpływają tylko jako czynnik synchronizujący jego pracę, coś w rodzaju siły przesuwającej jego “wskazówki”. Jeśli doświadczalnie zatrzyma się mózgowy zegar poprzez zablokowanie przepływu impulsów nerwowych, a następnie uruchomi się go powtórnie, zegar odblokowuje się i działa w dalszym ciągu, a rytmy wracają, w tej samej fazie, w której znalazłyby się w tym czasie bez wcześniejszej blokady. Stąd wniosek, że mechanizm zegara biologicznego cały czas “chodzi”.

 

 

Śpiące dziecko. Źr. Wikipedia.

Dlaczego jesteśmy rytmiczni?

Organizm w warunkach naturalnych zachowuje się jak jednostka czasowa i wielu ekologów zdaje sobie sprawę z tego, jak ważną rolę w jego adaptacji do warunków otoczenia odgrywa czynnik czasu. To, kiedy zwierzę jest aktywne, a kiedy nie, kiedy śpi, a kiedy przyjmuje pokarm, itd., zależy od jego przystosowania do rytmów środowiska, którymi są np. następstwo dnia i nocy, dobowy rytm temperatury otoczenia i inne. Dobrym przykładem obrazującymi te zależności są choćby owady, u których pora zbierania nektaru jest uzależniona od tego, o której godzinie otwierają się kielichy kwiatów. Dlatego pszczoły “zapamiętują” porę dnia rozchylania się kielichów określonych gatunków roślin i tylko wtedy tam przylatują.

Posiadanie zdolności do synchronizacji własnych procesów życiowych z pewnymi stale powtarzającymi się warunkami środowiska, w którym przyszło mu żyć jest cechą adaptacyjną. Zatem zegar biologiczny nie tylko “mierzy” upływający czas, ale też przy jego pomocy organizm jest w stanie “przewidzieć” mające nastąpić zmiany w środowisku. Przystosowanie organizmu do otoczenia odbywa się przez ciągłą synchronizację rytmiki jego procesów fizjologicznych oraz trybu życia ze zjawiskami rytmicznymi zachodzącymi w przyrodzie.

 

Rytmy dobowe niewidomych

Na jakiej zasadzie przebiega rytmika okołodobowa organizmu izolowanego od jednego z bodźców otoczenia, jakim jest światło? Czy rytm jego procesów fizjologicznych jest w ogóle obecny? Jeśli tak, to czy przebiega on inaczej, niż w przypadku organizmu, który odróżnia światło od ciemności? A może działanie pozostałych dawców czasu rekompensuje brak tego bodźca i w związku z tym jego nieobecność nie zmienia w żaden sposób przebiegu rytmów?
Skoro mechanizm zegara jest endogenny i pracuje bez względu na wpływ rozmaitych Zeitgeber, a ich ingerencja tylko w taki czy inny sposób zaburza, czy po prostu zmienia przebieg rytmów biologicznych, odizolowanie od wpływu jakiegokolwiek dawcy czasu nie powinno powodować zaniku rytmów biologicznych, a tylko przyczyniać się do ich zaburzeń. Eksperymenty na zwierzętach wykazały, ze w stałych warunkach środowiska (np. w stałej ciemności) ujawniają się tzw. rytmy spontaniczne, o okresie zbliżonym do doby, przy czym obserwuje się tak zwany dryf rytmu, czyli codobowe skracanie okresu cyklu, bądź jego wydłużanie. Innymi słowy każdego dnia wzrost temperatury czy aktywność zwierzęcia rozpoczyna się trochę wcześniej lub trochę później niż dobę wstecz.

Czy podobne prawidłowości dotyczą ludzkiego zegara biologicznego pozbawionego dopływu światła? Hiromi Tokura z Nara Women’s University w Japonii porównała rytm dobowy temperatury ciała u niewidomych i u osób normalnie widzących. Wyniki pomiarów wskazywały, że u zdrowej kontroli poranny wzrost temperatury zaczyna się ok. 3 godziny wcześniej niż u osób niewidomych. Podobnie jest z naturalnie występującym nocnym spadkiem temperatury: również pojawia się u niewidomych później. Można więc powiedzieć, że zegar biologiczny po utracie wzroku spóźnia się o trzy godziny w stosunku do zegara osób widzących. Alfred Lewy wraz z zespołem z Oregon Health Sciences University w Portland w USA badał natomiast dobowe zmiany w poziomie melatoniny u niewidomych. Melatonina jest hormonem wydzielanym przez szyszynkę, wpływającym na ośrodki kontrolujące sen i czuwanie. Aktywność wydzielnicza szyszynki koordynowana jest przy udziale różnych czynników środowiska, przede wszystkim światła. Amerykańcy badacze u ociemniałych osób stwierdzili bardzo stabilny rytm produkcji melatoniny, o okresie niezmiennym przez wiele lat. Wyciągnęli stąd wniosek, że dobowy rytm uwalniania tego hormonu jest odzwierciedleniem pracy endogennego okołodobowego regulatora czynności rytmicznych, nie zaś wpływu rytmu światło/ciemność. Co ciekawe, stwierdzono także, że u niektórych niewidomych można zaobserwować wzrost patologii snu, gdy rytm snu i czuwania nie jest sprzężony z cyklem produkcji melatoniny. Jakość snu się poprawia, a dobowy cykl snu i aktywności stabilizuje się, jeśli zsynchronizuje się go z rytmem produkcji hormonu szyszynki.

 

 

Zmierzch. Źr. Wikipedia.

Interakcje społeczne zamiast światła

Wyniki tych badań skłaniają więc do rewizji doniosłości światła, jako dawcy czasu. Badania nad rytmiką dobową niewidomych uwidaczniają także dawno już stwierdzone istnienie nie tylko w organizmie człowieka, ale powszechnej w całym świecie przyrody ożywionej zależności między rozmaitymi procesami fizjologicznymi równolegle współistniejącymi i mającymi wzajemny wpływ na siebie. Np. eksperymenty dotyczące rytmu uwalniania melatoniny udowodniły po pierwsze, że rytm nie zanika, lecz jest obecny również u niewidomych, a jego ujawnienie się nie zależy od obecności bodźca w postaci światła, lecz od pracy endogennego okołodobowego regulatora czynności rytmicznych (wewnętrznego zegara). Po wtóre zaś: prawidłowość w przebiegu rytmu snu i czuwania, a co za tym idzie jakość snu i ogólna kondycja organizmu w okresie aktywności zależą od przebiegu rytmu produkcji hormonu, z którym rytm snu/czuwania powinien synchronizować, aby wszelkie nieprawidłowości i zaburzenia zredukować do minimum.

Rytm melatoniny z kolei jest zależny od bodźca w postaci światła, który jako jeden z czynników wpływa na czynność wydzielniczą szyszynki. Widać z tego, że jeśli jakiś element środowiska mający wpływ na interesujący nas proces fizjologiczny, z jakichś przyczyn nie może weń ingerować - wtedy jego rolę przejmuje inny czynnik, bodziec, czy współgrający z nim proces fizjologiczny. Jak zasugerowały badaczki z Nara Women’s University - wpływ cyklu światło/ciemność, jako dawcy czasu w przypadku niewidomych rekompensuje czynnik społeczny, a więc organizm “radzi sobie” w okolicznościach utraty możliwości odbierania jednego ze stymulujących bodźców, reagując w zamian na inny. Znaczenia interakcji społecznych dla synchronizacji rytmów nie potwierdziły jednak badania nad cyklem produkcji hormonów nadnerczy u oślepianych szczurów. W tym przypadku czynnik kontaktów międzyosobniczych okazał się niewystarczający.

Współgranie rozmaitych procesów fizjologicznych i ich rytmiki dobowej wynika także z faktu, że zawiadują nimi te same, bądź odmienne, ale zintegrowane ze sobą za pomocą szlaków nerwowych struktury lub gruczoły. Grupa badaczy z Department of Veterans Affairs Medical Center w Sepulveda w Kaliforni znalazła dowód na istnienie neuronów mogących kontrolować zarówno sen, jak i temperaturę. Odkryli oni u kotów w przedniej części podwzgórza neurony, których wyładowania stają się gwałtowniejsze kiedy temperatura zwierzęcia wzrasta o 2C, a także automatycznie podczas snu. Naukowcy sugerują, że właśnie te neurony są częścią termostatu dbającego o temperaturę organizmu, a ponadto sprawują kontrolę nad pewnymi fazami snu.

 

Małgorzata Gut

 
POSŁUCHAJ AUDYCJI - mp3 (14,2 MB)