In aprilie a acestui an, atleta spaniola Beatriz Flamini a iesit in lumina dupa o sedere de 500 de zile intr-o pestera. Flamini spune ca si-a pierdut orice simt al timpului in a 65-a zi. Dar poate ea chiar sa fie sigura ca a fost a 65-a zi? Prin comparatie, in 1962, francezul Michel Siffre a iesit la suprafata din prapastia Scarasson din Italia, dupa ce a petrecut 33 de zile acolo. De fapt, a petrecut 58 de zile sub pamant.
Ticaitul ceasurilor vietii
Cum pot fiintele umane izolate sa tina o evidenta regulata a timpului, chiar si atunci cand sunt deconectate de mediul inconjurator? Pur si simplu, pentru ca ritmurile biologice sunt in centrul vietii, regland-o de la nivelul molecular pana la cel al intregului organism. Acestea includ nu numai ciclurile noastre de somn/veghe, ci si temperatura corpului, hormonii, metabolismul si sistemul cardiovascular, pentru a numi doar cateva.
Si aceste ritmuri au multe repercusiuni, nu in ultimul rand in ceea ce priveste sanatatea publica. Intr-adevar, o serie de boli sunt episodice – de exemplu, astmul este mai sever noaptea, in timp ce accidentele cardiovasculare sunt mai frecvente dimineata. Un alt exemplu este munca in schimburi, care deconecteaza oamenii de mediul lor. Poate fi asociat cu un risc crescut de cancer la muncitori, determinand OMS sa-l eticheteze drept cancerigen probabil.
Ritmurile influenteaza si modul in care interactionam cu alte specii. De exemplu, tripanosomiaza africana, numita si boala somnului, este o tulburare a ritmului nostru zilnic cauzata de parazitul Trypanosoma brucei , al carui metabolism este de asemenea zilnic – la fel ca imunitatea noastra.
Gene: marii ceasornicari
Rotatiile Pamantului, Lunii si Soarelui genereaza cicluri de mediu care au favorizat selectia ceasurilor biologice.
Un ceas biologic este un mecanism intern al organismelor care, in absenta unui semnal de mediu, functioneaza la propria frecventa. Alternarea regulata a zilei si a noptii a favorizat, de exemplu, evolutia ceasului circadian ( circa , adica „aproximativ”, si diem , „zi”).
Musca comuna a fructelor ofera oamenilor de stiinta un model excelent pentru a analiza multe procese de dezvoltare si fiziologice, cum ar fi ceasul intern sau sistemul imunitar, la nivel molecular si celular. Gery Parent/Flickr, CC BY-ND
Mecanismul ceasului circadian a fost descoperit pentru prima data la musca de fructe, cunoscuta si sub numele de Drosophila, in anii 1970. Se bazeaza pe bucle de feedback in transcrierea si traducerea mai multor gene – gena A promoveaza expresia genei B, care la randul sau inhiba expresia genei A – creand o oscilatie. In timpul zilei, lumina induce diminuarea factorilor specifici ai buclei prin intermediul unui fotoreceptor numit criptocrom. Interesant este ca factorii cheie ai mecanismului cuprind in esenta doar cateva gene numite perioada , atemporal , ceas si ciclu . Cu toate acestea, reglarea fina si reglarea ceasului se bazeaza pe o retea moleculara si neuronala complexa care asigura sincronizarea si precizia acestuia.
A fost studiat si mecanismul de ceas al tatelor mari. Copacul pe care stau acesti tate, ca si plantele si ciupercile, au si ceasuri biologice. Shirley Clarke/Wikipedia, CC BY-SA
Nu exista un ceas circadian unic, care sa organizeze intreaga viata, deoarece genele ceasului variaza de la specie la specie. Dar principiul ramane acelasi: gene a caror expresie oscileaza. Ritmurile biologice au fost descrise in toate taxonii (grupurile de organisme) studiate pana acum, care cuprind cianobacteriile (un tip de bacterii care obtin energie prin fotosinteza), ciuperci, plante si animale, inclusiv oameni.
In plus, diversi datori de timp ( zeitgebers ) sincronizeaza organismul cu mediul sau: lumina (cea mai studiata pana in prezent), temperatura si alimentele, in special.
Un ceas intern sincronizat de mediu
O implicatie foarte concreta a acestui ceas circadian se refera la jet lag. Aceasta este abaterea ritmului intern al unui individ de la ora fusului orar in care se afla.
Semnalele de mediu in general, si lumina in special, ajuta la resincronizarea individului: lumina perceputa la sfarsitul noptii deplaseaza ceasul inainte, in timp ce lumina perceputa la inceputul noptii il intarzie. Lumina perceputa in timpul zilei nu are efect. La om, lumina nu este perceputa direct de ceasul molecular, ci este captata in retina si apoi transmisa prin calea retino-hipotalamica catre un ceas central, unde moduleaza sinteza proteinelor ceasului. Totusi, sistemul nu este scalabil la infinit: organismului uman este nevoie de aproximativ o zi pentru a se adapta la o diferenta de timp de o ora.
Cu perioada circadiana intrinseca a lui Homo sapiens care se intinde pe o medie de 24,2 ore, este mai usor pentru noi sa calatorim spre vest si sa ne prelungim zilele decat sa calatorim spre est si sa le scurtam. Acesta este, de asemenea, motivul pentru care sportivii si cercetatorii care se izoleaza in adancurile Pamantului ajung sa nu fie sincronizati cu timpul de la suprafata si, in cele din urma, percep mai putine zile decat zilele solare de 24 de ore.
Alte ori, alte ceasuri
Ceasul circadian nu este singurul mecanism de ceas care exista in natura. Multe procese biologice sunt sezoniere, cum ar fi migrarea unei multitudini de pasari si insecte, reproducerea si hibernarea multor specii de animale si inflorirea plantelor. Aceasta sezonalitate este in general dictata de mai multi factori, inclusiv de ceea ce este cunoscut sub numele de ceas circaanual in cazul multor specii. Mecanismul acestui ceas nu a fost inca determinat.
Mecanismele de ceas la speciile marine sunt, de asemenea, necunoscute, partial din cauza structurii temporale complexe a oceanelor. Organismele marine sunt expuse ciclului solar alternand ziua si noaptea, care se suprapune unei serii de cicluri lunare, dintre care cel mai proeminent este ciclul mareelor (cu o perioada de 12,4 ore sau 24,8 ore). Ciclurile semilunar si lunar (14,8 zile/29,5 zile), legate de fazele lunii, moduleaza puternic si mediul marin, prin intermediul luminii si al mareelor. Anotimpurile afecteaza si aceste ecosisteme.
Desi complexa, structura temporala a mediilor marine este previzibila, iar ritmurile biologice legate de toate aceste cicluri au fost descrise la speciile marine. De exemplu, multi corali isi sincronizeaza reproducerea, depunand oua o data pe an pe o perioada foarte scurta de timp. Unii viermi marini roiesc exact o data pe luna, in cele mai intunecate ore ale noptii, pentru a-si initia dansul reproductiv inainte de a depune icre si de a muri.
Interesant, in 2020, echipa noastra de oameni de stiinta a dezvaluit ca ritmurile biologice nu se limiteaza la mediul de coasta. Intr-adevar, am aratat ritmuri in comportamentul si expresia genelor la o adancime de 1.700 de metri, la o midie care traieste in gurile hidrotermale ale crestei atlantice medii. Lucrarea noastra subliniaza ca coordonarea temporala in fiziologie este probabil critica, chiar si in mediile de viata cele mai extreme, cum ar fi oceanul adanc.
