Биологични часовници: Как тялото ни разбира, че времето минава?

През април тази година испанката Беатрис Фламини се появи отново на бял свят след 500-дневен престой в пещера. Нейният подвиг вероятно е най-дългият подобен и то с много. Самата Фламини казва, че на 65-ия ден е загубила представа за времето. Но може ли наистина да е сигурна, че това е бил 65-ият ден?… За сравнение, през 1962 г. французинът Мишел Сифре излиза на повърхността от пропастта Скарасон в Италия, след като според него e прекарал там 33 дни. Всъщност обаче той е прекарал 58 дни под земята.

Как тиктака часовникът на живота

Как толкова изолираните човешки същества могат да следят времето, дори когато са откъснати от заобикалящата ги среда? Много просто – чрез биологичните ни ритми, които са в основата на живота, регулирайки го от молекулярно ниво до това на цялото тяло. Те включват не само циклите ни на сън и бодърстване, но и телесната температура, хормоните, метаболизма и сърдечно-съдовата система, и това са само част от заниманията им.

Тези ритми имат многобройни ефекти, не на последно място по отношение на общественото здраве. Редица заболявания са епизодични – например астмата се проявява по-тежко през нощта, а сърдечносъдовите инциденти са по-чести сутрин. Друг пример е работата на смени, която откъсва хората от околната среда. Тя може да завиши риска от ракови заболявания при работниците, което е причината СЗО да я определи като вероятен канцероген.

Ритмите оказват влияние и върху начина, по който взаимодействаме с други видове. Например африканската трипанозомоза, наричана още сънна болест, е нарушение на ежедневния ни ритъм, причинено от паразита Trypanosoma brucei, чийто метаболизъм също е ежедневен – също като нашия имунитет.

Гените: най-добрите часовникари

Въртенето на Земята, Луната и Слънцето генерира цикли в околната среда, които са благоприятствали развитието на биологични часовници.

Биологичният часовник е вътрешен за организмите механизъм, който при липса на сигнал от околната среда работи със собствена честота. Постоянното редуване на деня и нощта например е благоприятствало еволюцията на циркадния часовник (circa означава „приблизително“).

Този механизъм е открит за първи път при плодовата мушица през 70-те години на миналия век. Той се основава на обратна връзка при транскрипцията и транслацията на няколко гена – ген А стимулира експресията на ген В, който от своя страна потиска експресията на ген А – създавайки ефект на махалото. През деня светлината предизвиква намаляване на специфичните фактори на цикъла, като попада във фоторецептор, наречен криптохром. Интересно е, че ключовите фактори в часовника по същество се състоят само от няколко гена, но фината му настройка и регулиране се основават на сложна молекулярна и невронна мрежа.

Не съществува един-единствен, всеобхватен циркаден часовник, който да организира живота на всички твари по Земята, тъй като въпросните гени се различават при отделните видове. Но принципът им си остава един и същ. Биологичните ритми са описани във всички изследвани досега таксони (групи организми), които включват цианобактерии (вид бактерии, които получават енергия чрез фотосинтеза), гъби, растения и животни, включително човека.

Освен това има различни времеви фактори, синхронизират организма ни с околната среда: по-специално светлината (най-изследваният фактор до момента), температурата и храната.

Вътрешен часовник, синхронизиран от околната среда

Едно много конкретно значение на този циркаден часовник е свързано с джет лага – дискомфорта, който изпитваме, когато пътуваме със самолет до място с много различна часова зона от досегашната ни, което отклонява вътрешния ни ритъм.

Сигналите от околната среда като цяло, и по-специално светлината, помагат за повторното синхронизиране на човек: светлината, възприемана в края на нощта, придвижва часовника напред, докато светлината, възприемана в началото на нощта, го забавя. Светлината, възприемана през деня, няма ефект. При хората светлината се улавя в ретината и след това се предава по ретино-хипоталамичния път към централния часовник, където модулира синтеза на часовниковите протеини. На човешкия организъм му е необходим приблизително един ден, за да се адаптира към едночасова разлика във времето.

Тъй като присъщият на Хомосапиенс циркаден период продължава средно 24,2 часа, за нас е по-лесно да пътуваме на запад и да удължаваме дните си, отколкото да пътуваме на изток и да ги скъсяваме. Това е и причината, поради която спортистите и изследователите, които се изолират в дълбините на Земята, в крайна сметка не са в синхрон с времето на повърхността и усещат, че са минали по-малко дни от реалните.

Средноатлантическият хребет

Други времена, други часовници

Циркадният часовник не е единственият часовников механизъм, който съществува в природата. Много биологични процеси са сезонни, като например миграцията на множество птици и насекоми, размножаването и хибернацията на много животински видове и цъфтежът на растенията. Тази сезонност обикновено е продиктувана от няколко фактора, включително от така наречения при много видове годишен часовник. Механизмът му обаче все още не е установен.

При морските видове тези механизми също не са известни, отчасти поради сложната времева структура на океаните. Там организмите са изложени на слънчевия цикъл на редуване на ден и нощ, който се наслагва върху серия от лунни цикли, най-значимият от които е цикълът на приливите и отливите (с период 12,4 часа или 24,8 часа). Полулунните и лунните цикли (14,8 дни/29,5 дни), свързани с фазите на Луната, също силно модулират морската среда чрез светлината и приливите и отливите. Още имаме и сезоните, които също оказват влияние върху тези екосистеми.

Макар и сложна, времевата структура на морската среда е предвидима и при морските видове са описани биологични ритми, свързани с всички тези цикли. Например много корали синхронизират размножаването си, като снасят яйца веднъж годишно за много кратък период от време. Някои морски червеи се роят точно веднъж месечно, в най-тъмните часове на нощта, за да започнат своя репродуктивен танц преди да хвърлят хайвера и да умрат.

Интересно е, че през 2020 г. екип от учени разкри, че биологичните ритми не се ограничават само до крайбрежната среда. Те наистина показват ритми в поведението и генната експресия на дълбочина 1700 метра, при мида, която живее в хидротермалните отвори на Средноатлантическия хребет. Работата им подчертава, че времевата координация във физиологията вероятно е от решаващо значение дори в най-екстремните жизнени среди като дълбокия океан.