Της Audrey Mat The Conversation.
Τον Απρίλιο του τρέχοντος έτους, η Ισπανίδα αθλήτρια Beatriz Flamini αναδύθηκε στο φως μετά από παραμονή 500 ημερών σε μια σπηλιά. Η κάθοδός της υπογείως είναι ίσως η μεγαλύτερη που έχει πραγματοποιηθεί από μεγάλη έκταση. Η Flamini λέει ότι έχασε όλη την αίσθηση του χρόνου την 65η ημέρα. Αλλά μπορεί πραγματικά να είναι σίγουρη ότι ήταν η 65η μέρα; Συγκριτικά, το 1962 ο Γάλλος Michel Siffre βγήκε στην επιφάνεια από το χάσμα του Scarasson στην Ιταλία αφού πέρασε εκεί που νόμιζε ότι ήταν 33 ημέρες. Στην πραγματικότητα πέρασε 58 μέρες υπόγεια.
Το τικ των ρολογιών της ζωής
Πώς μπορούν τα απομονωμένα ανθρώπινα όντα να παρακολουθούν τακτικά τον χρόνο, ακόμη και όταν είναι αποσυνδεδεμένοι από το περιβάλλον τους; Πολύ απλά, γιατί οι βιολογικοί ρυθμοί βρίσκονται στην καρδιά της ζωής, που τη ρυθμίζουν σε όλη τη διαδρομή από το μοριακό επίπεδο μέχρι αυτό ολόκληρου του σώματος. Αυτά περιλαμβάνουν όχι μόνο τους κύκλους ύπνου/αφύπνισης, αλλά και τη θερμοκρασία του σώματος, τις ορμόνες, τον μεταβολισμό και το καρδιαγγειακό σύστημα, για να αναφέρουμε μόνο μερικά.
Και αυτοί οι ρυθμοί έχουν πολλές επιπτώσεις, κυρίως όσον αφορά την υγεία. Πράγματι, ορισμένες ασθένειες έχουν πιο βαριά συμπτώματα τη νύχτα -για παράδειγμα, το άσθμα είναι πιο σοβαρό τη νύχτα, ενώ τα καρδιαγγειακά είναι πιο συχνά το πρωί. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η εργασία σε βάρδιες, η οποία αποσυνδέει τους ανθρώπους από το περιβάλλον τους. Μπορεί να σχετίζεται με αυξημένο κίνδυνο καρκίνου στους εργαζόμενους, με αποτέλεσμα ο ΠΟΥ (Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας) να το χαρακτηρίσει ως πιθανό καρκινογόνο.
Οι ρυθμοί επηρεάζουν επίσης τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούμε με άλλα είδη. Για παράδειγμα, η αφρικανική τρυπανοσωμίαση, που ονομάζεται επίσης ασθένεια του ύπνου, είναι μια διαταραχή του κιρκάδιου ρυθμού μας που προκαλείται από το παράσιτο Trypanosoma brucei, του οποίου ο μεταβολισμός είναι επίσης κιρκάδιος -όπως και η ανοσία μας.
Γονίδια: οι μεγάλοι ωρολογοποιοί
Οι περιστροφές της Γης, της Σελήνης και του Ήλιου δημιουργούν περιβαλλοντικούς κύκλους που έχουν ευνοήσει την επιλογή βιολογικών ρολογιών. Ένα βιολογικό ρολόι είναι ένας μηχανισμός εσωτερικός στους οργανισμούς που, ελλείψει περιβαλλοντικού σήματος, λειτουργεί με τη δική του συχνότητα. Η τακτική εναλλαγή ημέρας και νύχτας έχει, για παράδειγμα, ευνοήσει την εξέλιξη του κιρκάδιου ρολογιού (circa, που σημαίνει «περίπου» και diem, «ημέρα»).
Ο μηχανισμός του κιρκάδιου ρολογιού ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά στη μύγα των φρούτων, γνωστή και ως Drosophila, στη δεκαετία του 1970. Βασίζεται σε βρόχους ανάδρασης στη μεταγραφή και μετάφραση πολλών γονιδίων -το γονίδιο Α προάγει την έκφραση του γονιδίου Β, το οποίο με τη σειρά του αναστέλλει την έκφραση του γονιδίου Α- δημιουργώντας μια ταλάντωση. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, το φως προκαλεί τη μείωση συγκεκριμένων παραγόντων του βρόχου μέσω ενός φωτοϋποδοχέα που ονομάζεται κρυπτόχρωμα. Είναι ενδιαφέρον ότι οι βασικοί παράγοντες του μηχανισμού ουσιαστικά περιλαμβάνουν μόνο μερικά γονίδια που ονομάζονται περίοδος, διαχρονικός, ρολόι και κύκλος. Ωστόσο, η λεπτομέρεια και η ρύθμιση του ρολογιού βασίζεται σε ένα πολύπλοκο μοριακό και νευρωνικό δίκτυο που εξασφαλίζει το χρονισμό και την ακρίβειά του.
Δεν υπάρχει ενιαίο, γενικό κιρκάδιο ρολόι που να οργανώνει όλη τη ζωή, καθώς τα γονίδια του ρολογιού διαφέρουν από είδος σε είδος. Αλλά η αρχή παραμένει η ίδια: γονίδια των οποίων η έκφραση ταλαντώνεται. Οι βιολογικοί ρυθμοί έχουν περιγραφεί σε όλα τα taxa (ομάδες οργανισμών) που έχουν μελετηθεί μέχρι στιγμής, τα οποία περιλαμβάνουν κυανοβακτήρια (ένας τύπος βακτηρίων που λαμβάνουν ενέργεια μέσω της φωτοσύνθεσης), μύκητες, φυτά και ζώα, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Επιπλέον, διάφοροι χρόνοι (zeitgebers) συγχρονίζουν τον οργανισμό με το περιβάλλον του: φως (το πιο μελετημένο μέχρι σήμερα), θερμοκρασία και τροφή, ειδικότερα.
Ένα εσωτερικό ρολόι συγχρονισμένο με το περιβάλλον
Μια πολύ συγκεκριμένη επίπτωση αυτού του κιρκάδιου ρολογιού αφορά το jet lag. Αυτή είναι η απόκλιση του εσωτερικού ρυθμού ενός ατόμου από την ώρα της ζώνης ώρας στην οποία βρίσκεται. Τα περιβαλλοντικά σήματα γενικά, και το φως ειδικότερα, βοηθούν στον εκ νέου συγχρονισμό του ατόμου: το φως που γίνεται αντιληπτό στο τέλος της νύχτας μετακινεί το ρολόι προς τα εμπρός, ενώ το φως που γίνεται αντιληπτό στην αρχή της νύχτας το καθυστερεί. Το φως που γίνεται αντιληπτό κατά τη διάρκεια της ημέρας δεν έχει καμία επίδραση. Στους ανθρώπους, το φως δεν γίνεται αντιληπτό απευθείας από το μοριακό ρολόι, αλλά συλλαμβάνεται στον αμφιβληστροειδή και στη συνέχεια μεταδίδεται μέσω της αμφιβληστροειδούς-υποθαλαμικής οδού σε ένα κεντρικό ρολόι, όπου ρυθμίζει τη σύνθεση των πρωτεϊνών του ρολογιού. Ωστόσο, το σύστημα δεν είναι απεριόριστα επεκτάσιμο: χρειάζεται το ανθρώπινο σώμα περίπου μία ημέρα για να προσαρμοστεί σε διαφορά ώρας μίας ώρας.
Με την εγγενή κιρκάδια περίοδο του Homo sapiens που εκτείνεται κατά μέσο όρο 24,2 ώρες, είναι ευκολότερο για εμάς να ταξιδέψουμε δυτικά και να επιμηκύνουμε τις μέρες μας παρά να ταξιδέψουμε ανατολικά και να τις συντομεύσουμε. Αυτός είναι και ο λόγος που αθλητές και ερευνητές που απομονώνονται στα βάθη του Η Γη καταλήγουν να μην συγχρονίζεται με τον χρόνο στην επιφάνεια και τελικά να αντιλαμβάνεται λιγότερες ημέρες από τις 24ωρες ηλιακές ημέρες.
Άλλες εποχές, άλλα ρολόγια
Το κιρκάδιο ρολόι δεν είναι ο μόνος μηχανισμός ρολογιού που υπάρχει στη φύση. Πολλές βιολογικές διεργασίες είναι εποχιακές, όπως η μετανάστευση πλήθους πτηνών και εντόμων, η αναπαραγωγή και η χειμερία νάρκη πολλών ζωικών ειδών και η ανθοφορία των φυτών. Αυτή η εποχικότητα γενικά υπαγορεύεται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένου αυτού που είναι γνωστό ως κυκλικό ρολόι στην περίπτωση πολλών ειδών. Ο μηχανισμός αυτού του ρολογιού δεν έχει ακόμη προσδιοριστεί.
Οι μηχανισμοί του ρολογιού στα θαλάσσια είδη είναι επίσης άγνωστοι, εν μέρει λόγω της πολύπλοκης χρονικής δομής των ωκεανών. Οι θαλάσσιοι οργανισμοί εκτίθενται στον ηλιακό κύκλο της εναλλαγής ημέρας και νύχτας, ο οποίος υπερτίθεται σε μια σειρά σεληνιακών κύκλων, ο πιο σημαντικός από τους οποίους είναι ο παλιρροϊκός κύκλος (με περίοδο 12,4 ωρών ή 24,8 ωρών). Οι ημι-σεληνιακός και σεληνιακός κύκλος (14,8 ημέρες/29,5 ημέρες), που συνδέονται με τις φάσεις της σελήνης, διαμορφώνουν επίσης έντονα το θαλάσσιο περιβάλλον, μέσω του φωτός και της παλίρροιας. Οι εποχές επηρεάζουν επίσης αυτά τα οικοσυστήματα.
Αν και περίπλοκη, η χρονική δομή των θαλάσσιων περιβαλλόντων είναι προβλέψιμη και οι βιολογικοί ρυθμοί που συνδέονται με όλους αυτούς τους κύκλους έχουν περιγραφεί στα θαλάσσια είδη. Για παράδειγμα, πολλά κοράλλια συγχρονίζουν την αναπαραγωγή τους, γεννώντας αυγά μία φορά το χρόνο σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Μερικά θαλάσσια σκουλήκια σωρεύουν ακριβώς μια φορά το μήνα, τις πιο σκοτεινές ώρες της νύχτας, για να ξεκινήσουν τον αναπαραγωγικό τους χορό πριν γεννήσουν και πεθάνουν.
Είναι ενδιαφέρον ότι το 2020, η ομάδα επιστημόνων αποκάλυψε ότι οι βιολογικοί ρυθμοί δεν περιορίζονται στο παράκτιο περιβάλλον. Πράγματι, δείξαμε ρυθμούς συμπεριφοράς και έκφρασης γονιδίων σε βάθος 1.700 μέτρων, σε ένα μύδι που ζούσε στις υδροθερμικές οπές της κορυφογραμμής του μέσου Ατλαντικού. Η εργασία μας υπογραμμίζει ότι ο χρονικός συντονισμός στη φυσιολογία είναι πιθανότατα κρίσιμος, ακόμη και στα πιο ακραία περιβάλλοντα ζωής, όπως ο βαθύς ωκεανός.
