Хронобиологија Внатрешни часовници во времето Општество Макс Планк
Лудвиг Вториот од Баварија е импресивен пример за тоа колку различно може да отчукува внатрешниот часовник на луѓето: Според историски извори, монархот обично се занимавал со својата владина работа ноќе, но претежно спиел преку ден. Грегор Ејхеле може да шпекулира само за тоа дали кралот од бајките страдал од нарушување што го расипал ритамот на спиење и будење. Заедно со неговиот тим од Институтот за биофизичка хемија Макс Планк во Гетинген, тој доби многу нови сознанија за тоа како функционираат природните часовници на нашето тело.
Глушец во тркалото на хрчак: Ритамот на спиење-будење кај животните е исто така тактизиран од внатрешните часовници.
„Ритамот на спиење и будење е нераскинливо поврзан со нашиот внатрешен часовник“, вели Грегор Ејхеле, кој е раководител на одделот „Гени и однесување“ на институтот „Макс Планк“ во Гатинген. На крајот на краиштата, тој со години редовно патуваше напред и назад меѓу Германија и САД Како истражувач, деноноќниот часовник веќе долго време е една од неговите научни страсти.
Секој ден, милиони луѓе сметаат дека спиењето и внатрешниот часовник се тесно поврзани: Денес, патниците со авион преминуваат неколку временски зони за неколку часа. Честа последица: внатрешниот часовник излегува од чекор. Други се жалат на несоница кога часовникот се менува од летно во зимско време за само еден час. Дури и со наводно мали промени, може да потрае неколку дена за надворешниот часовник повторно да работи во синхронизација со внатрешниот часовник и за погодените повторно да спијат како и обично.
„Како и да е, спиењето и внатрешниот часовник се фундаментално различни: додека сонот е перформанс на целиот организам, внатрешниот часовник е својство на одделни клетки“, нагласува Ејхеле. Во исто време, и двајцата влијаат едни на други. Пример: Нервните мрежи и супстанциите како што се окситоцин и други невропептиди кои го регулираат спиењето се под контрола на деноноќниот часовник со неговиот 24-часовен ритам. Затоа е суштински предуслов за да можеме да заспиеме во вистинско време.
Терминот „деноноќно“ е изведен од латинскиот круг (приближно) и овој (ден). Изразува дека внатрешниот часовник осцилира само приближно на секои 24 часа. На пример, едно лице може да има деноноќен часовник со ритам од 24,7 часа. Ако живеел во постојано осветлена просторија неколку недели, би започнал да спие 42 минути подоцна од претходниот ден. Само условите во животната средина - пред се и светлината - дејствуваат како тајмер за калибрирање на внатрешниот часовник на точно 24 часа.
Овој навидум незгоден систем постои затоа што дневната алтернација на денот и ноќта не е доволна за да се одржат процесите во нашето тело во ритам. Ова станува веднаш јасно кога ќе го погледнете светло-темниот ритам на нашиот современ живот: Ако нашите физиолошки ритми беа само реакција на присуството или отсуството на светлина, секоја долга вечер со сите свои вештачки извори на светлина би била катастрофална за нашиот метаболизам и Влијаат на ритамот на спиење и будење. Наместо тоа, нашиот внатрешен часовник сигнализира дека се работи за лажни надворешни временски сигнали и со тоа го одржува организмот стабилен со текот на времето.
Деноноќниот часовник веројатно станал на самиот почеток на еволуцијата. Дури и првите микроклеточни организми во исконските океани може да имаа корист од предвидување на изгрејсонце и можност да се нурнат во подлабоки водни слоеви навремено. На овој начин, тие избегаа од УВ зрачењето од сонцето, кое во тоа време сè уште беше во голема мера нефилтрирано. Во темнината на длабокото море, часовникот повторно ги сигнализираше микробите кога требаше да излезе на површина.
„Имаме вистинска продавница за часовници“, вели Грегор Ејхеле. Како граѓанин на Швајцарија, тој во извесна смисла е предодреден за анализа на вакви инструменти.
Еднаш во светот, скоро сите живи суштества ги задржаа своите внатрешни деноноќни часовници: има смисла растенијата да вршат само фотосинтеза во текот на денот. Кај дневните цицачи како луѓето, температурата на телото се зголемува пред да се разбудат. Во утринските часови, ослободувањето на хормонот на стрес кортизол го достигнува својот врв и со тоа ги зголемува физичките и менталните перформанси. Метаболизмот, напнатоста во мускулите, функцијата на бубрезите и способноста за концентрација, исто така, варираат во текот на еден ден.
Секоја единствена клетка, секое ткиво, секој орган, како и целиот организам има молекуларна часовник - без оглед дали е тоа во црниот дроб или бубрезите, срцето или цревата, имунолошкиот систем или кожата. „Значи, имаме вистинска продавница за часовници“, објаснува Ејхеле - како Швајцарец, до одредена мера предодредена за анализа на вакви инструменти. Така што сите часовници секогаш покажуваат исто време, тие треба да бидат трајно синхронизирани едни со други, секој час, како и часовниците на органите - и целиот организам со 24-часовен светло/темно циклус на животната средина.
Најважниот часовник се наоѓа во мозокот, во таканареченото супрахијазматско јадро. Кај луѓето, 50.000 тесно поврзани нервни клетки кои се меѓусебно поврзани со неврони од разни други мозочни региони, се собираат во ова јадро. Јадрото прима сигнали од специјализирани сензорни клетки во очите преку фини нервни влакна. Кога светлината ќе погоди пигмент чувствителен на светлина во сетилните клетки на мрежницата, тие генерираат електричен сигнал и го пренесуваат до супрахијазматското јадро.
Хрчаците, на пример, го губат деноноќниот ритам без супрахијазматското јадро. Научниците го измерија ова со ставање тркало за тркало во кафезот на животните и вртежите на тркалото како
Евидентирана мерка на активноста на хрчакот. Обично хрчаците се првенствено активни пред изгрејсонце и по зајдисонце. Наместо тоа, без супрахијазматско јадро, тие работеа со слична фреквенција и дење и ноќе. За разлика од нив, животните не спиеле повеќе од вообичаено.
Ова откритие сугерираше дека јадрото, како примарен генератор на часовник, ги пренесува своите информации на сите други часовници во клетките, ткивата и органите на телото и ги синхронизира и со текот на денот и едни со други. Но, по најновите експерименти, оваа теорија пропадна: Тимот на Ејхеле генетски модифицирани глувци на таков начин што важниот ген на часовникот Bmal1 во супрахијазматското јадро е неактивен. Разликата во студиите за хрчаци: врските со и од јадрото не се сечат, но остануваат. Според теоријата, хаосот треба да избувне во внатрешниот свет на часовникот на животните.
Но, не го стори тоа! „Докажано е дека другите деноноќни часовници остануваат во ритам дури и без централниот часовник во супрахијазматското јадро“, објаснува Ејхеле - барем под услов светлината и темнината да се менуваат на секои 24 часа. Ако на глувците им недостасува генот на часовникот и живеат во постојан мрак, од друга страна, се појавува нарушување: Тие тогаш имаат проблеми да ги одржуваат внатрешните часовници синхронизирани.
Затоа, на телото апсолутно му е потребна природна темно-темна алтернација како тајмер. Циркадискиот часовник може да го калибрира внесувањето храна точно на 24 часа - но тоа води само до половина синхронно внатрешно мерење на времето. Очигледно, часовничкиот систем е организиран како федерална држава, којашто може да ја извршуваат индивидуалните државни влади, дури и кога сојузната влада е слаба. „Овој систем е на крајот постабилен од оној што се потпира единствено на супрахијазматското јадро“, вели Ајхеле.
Но, како синхронизираат внатрешните часовници без централниот пејсмејкер во мозокот? Една можност е дека часовниците на телото добиваат светло/темни информации од супрахијазматското јадро, бидејќи истражувачите покажаа дека светлината може да ги активира гените на часовникот во органи како што е црниот дроб преку автономниот нервен систем.
Ако јадрото недостасува, светлосните сигнали што патуваат од очите кон телото исто така се исушат. Значи, светлината веќе не може да влијае на вегетативниот нервен систем - и, следствено, и на часовниците на телото. Бидејќи научниците од Гатинген не го исклучуваат целото нервно јадро, туку само еден ген на часовникот, светлосните сигнали можат да продолжат да ги достигнуваат и синхронизираат другите часовници во телото преку јадрото. Очигледно, сигналите не треба да бидат претходно обработени во неговите ќелии на часовникот.
Но, исто така е можно и други важни часовници во мозокот да влезат директно во супрахијазматското јадро и да ги синхронизираат часовниците на телото. Еден кандидат за ова ќе биде хипофизата. Таа исто така ги прима светлосните сигнали од нејзините очи. Theлездата на дното на мозокот го ослободува хормонот ACTH во крвта, од каде што се фрла во надбубрежните жлезди и каде предизвикува ослободување на кортизол, адреналин и норадреналин.
Cilia го регулира нашиот сон во мозокот? Систем на шуплини тече длабоко во човечкиот мозок: четири шуплини наречени „комори“ кои се поврзани со канали. Церебралната течност тече во нив. Меѓу другото, содржи невропептиди, кои, на пример, нè прават уморни. Супрахијазматското јадро вклучено во внатрешниот часовник се наоѓа во близина на таквата комора. Научниците од Институтите за биофизичка хемија во Макс Планк и за динамика и самоорганизација неодамна открија дека проширувањата слични на трепките - т.н. цилии - на wallидните клетки на коморите можат да ја променат насоката на мозочен удар, а со тоа и насоката на протокот на церебралната течност. Во одредени периоди од денот, тие дури создаваат вртлози кои делуваат како бариери. Сè уште не е јасно дали дистрибуцијата на течноста и, следствено, невропептидите кои предизвикуваат спиење, всушност следат деноноќниот ритам. Со нивното откритие, истражувачите може да бидат на патот на комплетно нов механизам кој не се базира на активноста на нервните клетки, туку чисто на активноста на wallидните клетки на мозочните комори.
За овие стресни хормони се знае дека се важни тајмери за внатрешните часовници. Ејхеле и неговиот тим откриле дека глувците со неисправен ген на часовникот ритмички ослободуваат хормон кортикостерон во текот на денот - скоро како нормалните глувци синхронизирани со другите часовници на телото. Овој хормон одговара на кортизол кај луѓето. „Ако супрахијазматското јадро не успее како генератор на часовник, кортикостеронот може да ги синхронизира телесните часовници“, заклучува Ејхеле. Ова сугерира дека внатрешниот тајмер во надбубрежните жлезди е скоро подеднакво важен како часовникот во супрахијазматското јадро.
Но, не само светлината, сонот влијае и на часовниците во ткивата и органите на телото. „Но, вие мора да бидете вознемирени, не смеете да имате никаков стрес и да можете да спиете кога сакате. Со други зборови, според вашиот личен хронотип, кој одредува дали легнувате рано или доцна и спиете кратко или долго “, објаснува Хенрик Остер од Универзитетот во Либек, кој беше на чело на истражувачка група на институтот Макс Планк во Гатинген до крајот на 2012 година.
Од неговото време во Гетинген, Остер и неговите колеги истражувале како се поврзани спиењето, внатрешниот часовник и метаболизмот. Тие забележале, на пример, дека кога е нарушен сонот, клетките на црниот дроб и маснотиите на глувците повеќе не штиклираат синхроно. Научниците во моментов се обидуваат да откријат дали ритамот на клетките на другите органи, како што се бубрезите, исто така се одвојува.
Исто така, постојат многу индикации дека нарушен сон исто така може да го наруши метаболизмот преку внатрешниот часовник. На пример, Остер и неговите колеги од Институтот „Макс Планк“, го изнесоа ритамот на спиење, а со тоа и внатрешниот часовник: научниците запреа глувците да спијат наутро ставајќи играчки во кафезите на животните. По неколку дена стана очигледно дека нарушувањето на спиењето влијае на внатрешниот часовник на периферните органи. Овие веќе не можат правилно да ги вклучуваат и исклучуваат важните метаболички гени.
Пример за такво метаболичко нарушување е таканаречената хормонално чувствителна липаза. Нормално деноноќниот часовник гарантира дека овој ензим на масните клетки е активен во фазата на спиење. Потоа се распаѓа на зачуваните масти кои на телото му се потребни за да го помине времето без храна. Бидејќи липазата веќе не е толку активна во нарушувањата на спиењето, тешко дека маснотиите се ослободуваат во телото. „Бидејќи нивото на шеќер во крвта паѓа под овие околности, постои енергетска криза: животните се гладни“, вели Остер. Значи, глувците почнуваат да јадат, што навистина го нарушува нивниот сон. Ова создава еден маѓепсан круг во текот на кој животните ставаат се поголема тежина. Покрај тоа, гастричните хормони го прилагодуваат часовникот на црниот дроб кога црниот дроб јаде за време на спиењето. Ова доведува до метаболизмот на црниот дроб сè повеќе од шините.
Може ли телото некако да го компензира овој метаболички хаос? Одговорот: под одредени околности! Тимот на Остер ги вознемируваше глувците додека спиеја и им дозволуваше пристап до храна само во текот на нивната нормална фаза на будење. Но, тогаш можеа да јадат онолку колку што сакаат. „Тоа го нормализираше активирањето на гените на часовникот во црниот дроб“, вели Остер. „Значи, кога јадете се чини дека е многу важен фактор во развојот на дебелината и метаболичките болести.
Истражувачите од Либек, исто така, забележале дека гените на часовникот предизвикуваат промени во метаболизмот кај луѓето по недостаток на сон. Сепак, сè уште не е докажано дали ова навистина може да доведе до дебелина и дијабетес. Студиите за работниците во смена, сепак, го сугерираат ова.
Во секој случај, експериментите со глувци јасно покажуваат дека правилно темпираното спиење и внесувањето храна можат да компензираат многу од метаболичките процеси кои излегуваат од колосек, а можеби дури и делумно да ги вратат назад. Ова не е единствената причина зошто Остер верува дека стабилизацијата на внатрешниот ритам може да биде важен фактор во третманот на метаболички заболувања. На крајот на краиштата, сите овие болести следат силен дневен ритам и можат да бидат под влијание на стресот. Спиењето игра важна улога: „Оние кои спијат доволно и во вистинско време“, вели Остер, „се помалку склони кон овие болести“.
Спиењето и внатрешниот часовник се тесно поврзани: Ако внатрешниот часовник излезе од чекор, проблеми со спиењето може да бидат резултат. И оние кои спијат слабо или нередовно, исто така го нарушуваат нивниот внатрешен часовник.
Клетките и органите имаат и свој внатрешен часовник. Супрахијазматското јадро, колекција на нервни клетки во мозокот, е централен часовник за другите часовници во телото. Но, овие исто така работат без него. Некои од нив добиваат светло/темни информации директно преку очите.
Нарушувањата на спиењето потенцијално можат да предизвикаат метаболички нарушувања со нарушување на активноста на гените на часовникот. Ова може да ги збрка метаболните процеси.