O zegarze biologicznym i jego znaczeniu dla prawidłowego funkcjonowania organizmów rozmawiamy z dr. n. med. Michałem Białym z Zakładu Fizjologii Doświadczalnej i Klinicznej Laboratorium Centrum Badań Przedklinicznych WUM.
Panie Doktorze, na XXVII Sesję Noblowską Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego przygotował Pan wykład pt. ?W jaki sposób organizmy żywe przystosowały się do ruchu obrotowego Ziemi??. Pierwsze skojarzenie, jakie się nasuwa w związku z tym tematem jest takie, że dzięki ruchowi obrotowemu mamy dzień i noc. Czy to przystosowanie dotyczy właśnie zmieniających się części doby?
Tak. Ruch obrotowy Ziemi sprawia, że mamy dzień i noc. W związku z tym wszystkie organizmy ? począwszy od bakterii i glonów ? przystosowały się do tego i wykształciły mechanizm odpowiedzialny za regulowanie swojej aktywności w ciągu dobry, w zależności od pory dnia. Jest to tzw. zegar biologiczny, kontrolujący rytm okołodobowy, który trwa mniej więcej 24 godziny. To mechanizm bardzo stary filogenetycznie i skoro mają go właściwie wszystkie organizmy, to oznacza, że jest on bardzo ważny dla ich funkcjonowania i przeżycia na Ziemi.
Dzięki dobrze działającemu zegarowi biologicznemu nasze komórki, tkanki i narządy są przygotowane do odpowiedniej pory dnia, tak aby były aktywne wtedy, kiedy jest to potrzebne, a nie cały czas pracowały na najwyższych obrotach. Innymi słowy, nasze komórki są przygotowane ? pod względem hormonalnym i metabolicznym ? do tego, że wstaniemy rano, że będziemy aktywni, zjemy posiłek. Istnienie zegara pozwala też organizmowi się zregenerować.
Czym właściwie jest zegar biologiczny?
Na najbardziej podstawowym poziomie mechanizm zegara tworzą geny i zapisane w nich białka. To właśnie badali tegoroczni laureaci Nagrody Nobla z fizjologii i medycyny ? Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young.
W latach 70. XX w. Ronald Konopka jako pierwszy odkrył istnienie mutacji genetycznych u muszek owocowych w genie, który nazwał period. Jedna z mutacji powodowała, że muszki nie miały żadnych rytmów dobowych, inna, że były one bardzo przyspieszone ? wynosiły 19-20 godzin, a jeszcze inna, że były dłuższe ? wynosiły około 30 godzin. Konopka opublikował pracę na ten temat w 1971 r. Niestety w 2015 r. zmarł na zawał serca.
W latach 80. Rosbash, Hall i Young zajęli się badaniem genu period. Dwaj pierwsi sklonowali go, a Young wprowadził ten gen na plazmidzie bakteryjnym muszkom, które nie miały rytmu dobowego z powodu mutacji. W ten sposób przywrócił im rytm dobowy. Dalsze badania wykazały, że białko kodowane przez gen period gromadzi się w komórkach i jest w nich rozkładane w cyklu 24-godzinnym, synchronizowanym przez światło.
W kolejnych latach nobliści odkryli kolejne geny kluczowe dla regulacji zegara biologicznego. Prace nad tym trwają zresztą do dziś.
Ich odkrycia pokazały, że cykliczna aktywność genów zegara zachodzi właściwie we wszystkich komórkach. Choć istnieje nadrzędny zegar biologiczny, który na drodze nerwowej i humoralnej synchronizuje cykliczną aktywność innych tkanek i narządów organizmu. U ssaków ten zegar mieści się w jądrze nadskrzyżowaniowym, u muszek w małych bocznych neuronach brzusznych.
Co sprawia, że nasz zegar działa prawidłowo?
Najważniejszym parametrem, który synchronizuje zegar biologiczny, jest światło, w szczególności światło jasnoniebieskie o długości fali ok. 480 nm, które pojawia się o poranku, gdy wschodzi słońce. Na siatkówce naszego oka obecne są specjalne receptory, zawierające melanopsynę, barwnik, który reaguje na to światło.
Również inne czynniki zewnętrzne przyczyniają się do synchronizacji zegara biologicznego, takie jak zmiana temperatury związana z wahaniami dobowymi. U ludzi i zwierząt społecznych są to również bodźce socjalne, w tym np. codzienne pójście do pracy.
Ponieważ działanie rytmu dobowego to mechanizm bardzo stary filogenetycznie, utrzymuje się on nawet wówczas, gdy brak jest bodźców zewnętrznych ? np. gdy ludzie są zamknięci w bunkrze i nie dochodzi do nich żadne światło. Jest on jednak wtedy trochę dłuższy ? ma ok. 25 godzin, co wskazuje na to, że aby prawidłowo funkcjonować, nasz zegar biologiczny wymaga synchronizacji.
A co się dzieje, gdy nasz zegar biologiczny się rozreguluje?
Dzieje się tak na przykład wtedy, gdy ktoś zmieni kilka stref czasowych. Wiadomo, że z reguły źle się wtedy czujemy i musi upłynąć trochę czasu, nim nasz rytm dobowy wróci do normy.
Ale gdy dopuszczamy do długotrwałego zaburzenia rytmów dobowych, to rozregulowane zostają również wszystkie funkcje organizmu. I to jest zjawisko bardzo niebezpieczne. Zakłócona zostaje m.in. praca komórek układu immunologicznego, wówczas tworzą się stany zapalne, a na ich podłożu rozwija się wiele przewlekłych chorób cywilizacyjnych, w tym nowotwory, choroby metaboliczne, takie jak cukrzyca typu 2, a także zaburzenia psychiczne, jak depresja, czy neurologiczne, jak np. choroba Alzheimera, choroba Parkinsona. Zaburzenia snu i rytmów dobowych są wręcz pierwszymi objawami zaburzeń psychicznych.
Rozwój chorób cywilizacyjnych ma silny związek właśnie z zaburzeniami rytmów dobowych, a nie tylko z przejadaniem się czy brakiem ruchu.
Wystarczy na przykład sypiać po pięć godzin na dobę przez pięć dni, a już nasza wrażliwość na insulinę spada o około 30 proc. Wtedy w ciągu dnia po prostu czujemy się wciąż głodni, a to sprawia, że więcej jemy. Nasze komórki tłuszczowe gromadzą więcej tłuszczu, przez co z kolei spada ich wrażliwość na leptynę. Tworzy się błędne koło zaburzeń metabolicznych i może to doprowadzić do rozwoju cukrzycy typu 2.
Niebezpieczeństwo związane z rozregulowaniem rytmów dobowych nasila się szczególnie w ostatnich latach. My już od XIX w. przechodziliśmy na sztuczne światło, w związku z tym nasz rytm dobowy jest obecnie synchronizowany sztucznie. Jednak obecnie większość urządzeń elektronicznych, które posiadamy, takich jak smartfony, komputery, tablety, telewizory, emituje duże ilości światła jasnoniebieskiego. Dlatego jeżeli wieczorem długo korzystamy z tych urządzeń, to nasze zasypianie będzie utrudnione, ponieważ to światło nas wybudza, jest sygnałem do tego, żeby wstać.
Efektem naświetlania światłem jasnoniebieskim jest to, że pik wydzielania melatoniny ? hormonu produkowanego w szyszynce w ciemności ? jest mały i przesunięty w czasie. To przekłada się na gorszą synchronizację pracy wielu układów, w tym układu odporności.
Korzystanie w porze snu z urządzeń elektronicznych jest szczególnie niebezpieczne u dzieci i nastolatków, ponieważ ich organizmy wciąż się rozwijają. Obecnie mamy epidemię nadwagi i otyłości wśród najmłodszych i to ma silny związek z rozregulowaniem zegara biologicznego.
Jak temu przeciwdziałać?
Musimy sobie uzmysłowić, że zdrowy styl życia to nie tylko bieganie i odpowiednia dieta, ale też dbanie o zdrowy sen, bez zakłóceń.
Fakt, że rytm dobowy jest zapisany w genach praktycznie wszystkich organizmów żywych, pokazuje, jak ważny jest dla fizjologii każdej pojedynczej komórki. Jest to nasze dziedzictwo jako Ziemian.
Oczywiście, nasz zegar jest do pewnego stopnia elastyczny i może się dostroić do zmian, czego dowodzi to, że zasiedliliśmy bardzo różne szerokości geograficzne, nawet obszary wysunięte daleko na północ czy południe naszego globu. Jednak narody żyjące tam, Norwegowie czy Szwedzi, płacą za to pewną cenę, np. w postaci częstszej depresji. Dlatego musimy się zastanowić, czy poradzimy sobie, jeżeli będziemy chcieli np. skolonizować Marsa, ponieważ to może zupełnie rozregulować funkcje naszego organizmu. Czy jesteśmy w stanie się do tego przygotować?
Rozmawiała Urszula Piasecka