Биологические часы: как тело узнаёт, что время проходит?
В апреле 2023 года испанская спортсменка Беатрис Фламини вышла на свет после 500-дневного пребывания в пещере. Она утверждает, что потеряла чувство времени на 65-й день. Для сравнения: в 1962 году француз Мишель Сиффр поднялся из пещеры Скарассон в Италии, полагая, что провёл там 33 дня, хотя на самом деле прошло 58 дней.
Ритмы жизни
Биологические ритмы лежат в основе жизни, регулируя её от молекулярного уровня до уровня всего организма. К ним относятся не только циклы сна и бодрствования, но и температура тела, гормоны, метаболизм и сердечно-сосудистая система.
Эти ритмы имеют серьёзные последствия для общественного здоровья. Например, астма обостряется ночью, а сердечно-сосудистые катастрофы чаще происходят утром. Работа в ночную смену, десинхронизирующая человека с окружающей средой, связана с повышенным риском развития рака и признана ВОЗ вероятным канцерогеном.
Ритмы также влияют на взаимодействие с другими видами. Африканский трипаносомоз (сонная болезнь) — это нарушение суточного ритма, вызываемое паразитом Trypanosoma brucei, чей метаболизм также подчинён суточным циклам, как и наша иммунная система.
Гены — часовщики
Вращение Земли, Луны и Солнца создаёт средовые циклы, которые способствовали отбору биологических часов.
Биологические часы — это внутренний механизм организмов, работающий с собственной частотой в отсутствие внешних сигналов. Регулярная смена дня и ночи привела к эволюции циркадных часов (circa — «примерно», diem — «день»).
Механизм циркадных часов был впервые обнаружен у плодовой мушки (Drosophila) в 1970-х годах. Он основан на петлях обратной связи в транскрипции и трансляции нескольких генов (ген A способствует экспрессии гена B, который, в свою очередь, подавляет экспрессию гена A), что создаёт колебания. Днём свет через фоторецептор криптохром уменьшает количество специфических факторов петли. Ключевые факторы механизма — всего несколько генов: period, timeless, clock и cycle. Однако точная настройка и регуляция часов обеспечивается сложной молекулярной и нейронной сетью.
Единых циркадных часов для всех видов не существует, гены различаются, но принцип один: гены, чья экспрессия осциллирует. Биологические ритмы описаны у всех изученных таксонов: цианобактерий, грибов, растений и животных, включая человека.
Средовые синхронизаторы (zeitgebers) согласуют организм с окружающей средой: свет (наиболее изученный), температура и пища.
Внутренние часы и среда
Яркое проявление работы циркадных часов — джетлаг, рассогласование внутреннего ритма с часовым поясом.
Средовые сигналы, особенно свет, помогают пересинхронизироваться: свет в конце ночи ускоряет часы, а в начале ночи — замедляет. Свет днём не оказывает эффекта. У человека свет улавливается сетчаткой и передаётся по ретино-гипоталамическому пути в центральные часы, где модулирует синтез часовых белков. Система не бесконечно гибка: человеческому организму требуется примерно один день, чтобы адаптироваться к часовой разнице во времени.
Поскольку внутренний циркадный период Homo sapiens в среднем составляет 24,2 часа, путешествовать на запад (удлиняя день) легче, чем на восток (укорачивая его). Поэтому исследователи, изолирующиеся под землёй, выпадают из синхронизации с поверхностным временем и в итоге воспринимают меньше дней, чем 24-часовых солнечных суток.
Другие ритмы и часы
Циркадные часы — не единственный временной механизм в природе. Многие процессы сезонны: миграция птиц и насекомых, размножение и спячка животных, цветение растений. Эта сезонность часто диктуется цирканнуальными (окологодовыми) часами, механизм которых ещё не расшифрован.
Часовые механизмы морских видов также мало изучены из-за сложной временной структуры океана. На морские организмы влияют:
- Солнечный цикл (день/ночь).
- Приливной цикл (период 12,4 или 24,8 часа).
- Полулунный и лунный циклы (14,8 дней/29,5 дней), связанные с фазами Луны.
- Сезонные изменения.
Временная структура морской среды предсказуема, и у морских видов описаны биоритмы, связанные со всеми этими циклами. Например, многие кораллы синхронизируют нерест раз в год в очень короткий период. Некоторые морские черви роятся раз в месяц в самые тёмные ночные часы для репродуктивного танца перед нерестом и гибелью.
В 2020 году наша команда обнаружила, что биологические ритмы не ограничиваются прибрежной средой. Мы показали ритмы в поведении и экспрессии генов у мидии, живущей на глубине 1700 метров в гидротермальных источниках Срединно-Атлантического хребта. Эта работа подчёркивает, что временная координация физиологии, вероятно, критически важна даже в самых экстремальных условиях жизни, таких как глубины океана.