Jak działa biologiczny zegar dobowy - w tym roku badania nad nim nagrodzono Noblem

W uzasadnieniu przyznania nagrody napisano, że życie na Ziemi jest dostosowane do obrotu naszej planety. Od jakiegoś czasu wiadomo, iż żyjące organizmy, w tym ludzie, mają wewnętrzny, , który pomaga im dostosować się do regularnego rytmu dnia. Nie było jednak jasne, w jaki sposób działa ten zegar. Wspomniani uczeni potrafili wyjaśnić jego funkcjonowanie u roślin, zwierząt i ludzi.

Badania na roślinach

Jak wyjaśniają eksperci, od dawna wiadomo, że organizmy dostosowują swoją fizjologię i zachowania do pory dnia w odniesieniu do cyklu dobowego. Zaobserwowano to m. in. w ruchach liści i kwiatów. Przykładowo, liście mimozowych roślin zamykają się w nocy i otwierają w ciągu dnia. W 1729 roku francuski astronom Jean Jacques d'Ortous de Mairan umieścił taką roślinę w zaciemnionym miejscu i zauważył, że liście otwierają się i zamykają o tych samych porach co u gatunku naturalnie rosnącego na zewnątrz. Na podstawie tego zatem można wnioskować, że rytm codziennego funkcjonowania jest wewnętrzny. Około dwieście lat później, niemiecki fizjolog roślin i pionier badań rytmu dobowego, Erwin Bünning, stosując metodę kimografii, rejestrował ruch liści fasoli w normalnych cyklach dziennych i nocnych w stałych warunkach oświetleniowych. Zauważył, że rytm ruchu liści pozostawał bez zmian. Przez kolejne dziesięciolecia jednak dyskutowano pytanie o to, czy ten cykliczny ruch był regulowany przez „zegar wewnętrzny", czy też stanowił zwykłą reakcję na zewnętrzne bodźce o charakterze okołodobowym. Ostatecznie istnienie wewnętrznego zegara okołodobowego na dobre przyjęto w XX wieku.

Rytm dobowy jest uwarunkowany genetycznie

W wyniku m. in. wspomnianych badań zaczęto uważać, że rytm okołodobowy jest efektem naturalnej selekcji. Badania Bünninga wykazały, że rytmy okołodobowe w roślinach mogą być dziedziczone niezależnie od tego, czy rośliny, od których pochodzą te badane, były eksponowane na światło. W latach sześćdziesiątych chronobiolodzy stali się zgodni co do koncepcji genetycznych zegarów. W tym samym okresie Seymour Benzer i jego student Ronald Konopka z Kalifornijskego Instytutu Techniki, przystąpili do badań nad identyfikacją zmutowanych much owocowych o zmienionych fenotypach okołodobowych. Badacze ci byli przekonani, że specyficzne zachowania mogą być spowodowane działaniem pojedynczych genów i że można to wykazać poprzez wyizolowanie organizmów o zmienionym zachowaniu, noszących mutacje w pojedynczych genach. Benzer i Konopka wyodrębnili trzy różne grupy zmutowanych much wykazujących zmiany w normalnym 24-godzinnym cyklu. Jedna grupa funkcjonowała w cyklu 19-godzinnym, druga zaś 28-godzinnym, ostatnia cechowała się kompletnym rozregulowaniem rytmu.

Te trzy mutacje dotyczyły tego samego genu. Badacze przewidzieli, że grupa muszek o rozregulowanym cyklu odznaczała się mutacją deaktywizująca wymieniony gen, a pozostałe cechowały się mutacjami zmieniającymi funkcje tego genu. Późniejsze prace potwierdziły te przypuszczenia. Gen ten był molekularnie klonowany i sekwencjonowany w latach osiemdziesiątych - dokonali tego . Wówczas wyodrębniono więc pierwszy gen „wewnętrznego zegara" i scharakteryzowano molekularnie jego strukturę.

Jak zegar okołodobowy działa na zdrowie człowieka

Chronobiologia ma wpływ na wiele aspektów naszej fizjologii. Na przykład, zegary okołodobowe pomagają regulować wzorce snu, zachowania związane z odżywianiem się, uwalnianie hormonów, ciśnienie krwi i temperaturę ciała. Usunięcie genów odpowiadających za „wewnętrzny zegar" u zwierząt powoduje rozregulowanie produkcji hormonów, takich jak kortykosteron i insulina. Geny te mają rownież silny wpływ na metabolizm poprzez kontrolę glukoneogenezy, wrażliwość na insulinę i stężenie glukozy we krwi. Sen jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania mózgu, a dysfunkcja okołodobowa związana jest z , depresją, zaburzeniem dwubiegunowym, problemami poznawczymi, i niektórymi chorobami neurologicznymi. Co więcej, zaburzenia tego zegara oddziałują na choroby neurodegeneracyjne, zaburzenia metaboliczne i .

Na podstawie: .