Zegar biologiczny – czym jest i jak działa zegar biologiczny człowieka

O zegarze biologicznym myślimy często jako o wewnętrznym mechanizmie odmierzającym czas, który nam jeszcze pozostał. W rzeczywistości chodzi jednak raczej o dzienne cykle rządzące naszym ciałem, z którymi możemy żyć w harmonii lub nie. Chronobiologia to cała dziedzina naukowa, która zajmuje się właśnie tym, jak działa zegar biologiczny człowieka i co z niego wynika dla naszego zdrowia.



Zegar biologiczny człowieka jako koncepcja dobowego cyklu. Źródło: shutterstockZegar biologiczny człowieka jako koncepcja dobowego cyklu. Źródło: shutterstock
  1. Czym jest zegar biologiczny?
  2. Jak działa zegar biologiczny?
  3. Kobiecy zegar biologiczny
  4. Jak zegar biologiczny wpływa na zdrowie?
  5. W jaki sposób zaburzamy zegar biologiczny?
  6. Jak żyć w zgodzie z zegarem biologicznym?
Uważa się, że wszystkie wrażliwe na światło organizmy podlegają mechanizmowi zegara biologicznego, który pomaga im dostosować się do dobowej i rocznej zmienności warunków na Ziemi. Gdybyśmy żyli na innej planecie, nasze zegary działałby na pewno inaczej. Mechanizmy, które rządzą naszym życiem są więc po części wynikową zjawisk astronomicznych, po części zaś milionów lat ewolucji.

Czym jest zegar biologiczny?

Tak naprawdę w naszym organizmie jest bardzo wiele zegarów biologicznych, którymi zarządza jeden główny czasomierz zlokalizowany oczywiście w mózgu. Podwaliny pod tą teorię położył już w latach 70-tych XX w. duet naukowców, Seymour Benzer i Ronald Konopka, który zidentyfikował dziwną muszkę owocową o zaburzonym cyklu dobowym. Po wnikliwych badaniach okazało się, że posiada ona mutację pojedynczego genu nazwanego oficjalnie „Period” ( z ang. okres). Był to pierwszy odkryty ślad genetyczny biologicznego zegara. W toku dalszych badań udało się dowieść, że wspomniany gen odpowiada za produkcję białka zwanego PER, które tworzone i niszczone jest w trybie… 24-godzinnym. Drugim genem, który wpływa na działanie biologicznego zegara jest tzw. „Cryptochrome”.

W 2017 r. nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny przyznano zespołowi w składzie Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young, który pokazał i udowodnił jak wspomniane wyżej białko osadza się w każdej komórce ciała, a z biegiem dnia jego poziom maleje, tak aby produkcja mogła zostać zainicjowana na nowo. I tak codziennie!

Prawie każda tkanka i organ w naszym organizmie posiadają swój własny zegar biologiczny, który wyznacza im konkretne zadania czy okres spoczynku w określonych porach doby. Wszystkie one regulowane są oczywiście informacjami zapisanymi w naszym DNA i procesy dziedziczenia mogą mieć tutaj zasadniczy wpływ. Kontrolę nad tymi poszczególnymi zegarami pełnią jądra nadskrzyżowaniowe (SCN), czyli struktura złożona z około 20 tysięcy neuronów zlokalizowana w podwzgórzu mózgowym.

Jak działa zegar biologiczny?

Zasada funkcjonowania zegara biologicznego sprowadza się właśnie do regulowanego genami „Period” i „Cryptochrome” cyklu produkcji określonych białek odmierzających dla naszego organizmu czas w cyklu dobowym. Co jednak ciekawe, działanie owych genów można zrestartować za pomocą światła. Bodźcem, który wpływa na cały ten system w sposób dominujący jest bowiem rejestrowanie przez zmysł wzroku światła bądź ciemności w otoczeniu. Sygnały przekazywane są z siatkówki do struktury SNC w mózgu, czyli głównego zegarmistrza, który dalej wpływa na działanie wątroby, szyszynki czy kory nadnerczy. Owa cykliczność pozwala organizmowi przewidzieć zmianę warunków w otoczeniu i płynnie dostosować się do nich. W ten sposób wpływa ona też na wydzielanie poszczególnych hormonów, enzymów, regulację działalności danych narządów lub ich regenerację.

Dobrym przykładem ułatwiającym zrozumienie idei zegara biologicznego jest tzw. „jet lag” czyli zjawisko zmiany strefy czasowej wskutek podróży samolotowej. Odbywając dalszy lot niejako przesuwamy się w czasie w przód lub w tył, podczas gdy nasze ciało wciąż działa na bazie cyklu wyznaczonego wschodem i zachodem słońca w pierwotnym miejscu pobytu. Potrzeba czasu, aby zegar zresetował się na bazie zmienionego cyklu jasności i ciemności, a zmiana ta bywa nieprzyjemna i skutkuje często zaburzeniami snu.
Podróże samolotowe i związane z nimi zmienianie strefy czasu wymagają adaptacji zegara biologicznego. Źródło: shutterstock

Kobiecy zegar biologiczny

Pojęcie zegara biologicznego bywa używane, a właściwie nadużywane, również w kontekście kobiecej płodności. Frazę po raz pierwszy wykorzystała w 1978 r. amerykańska gazeta „The Washington Post” odwołując się do faktu, że wiele kobiet w wieku rozrodczym czuje jakby słyszały nieustanne tykanie zegara.

Faktem jest oczywiście, że zdolność do poczęcia i urodzenia dziecka jest zamknięta w ograniczonym przedziale czasowym, nieco innym w każdym przypadku. Generalnie za najbardziej płodny okres z czysto biologicznego względu uważa się wiek 18-24 lata. Po tym czasie szanse na poczęcie są nadal bardzo duże, ale zaczynają stopniowo maleć. Dramatyczny spadek płodności obserwuje się w wieku 37-38 lat, po którym to ciąża wciąż jest jednak możliwa, ale mało prawdopodobna i potencjalnie obarczona komplikacjami. Menopauza definitywnie kończy tykanie rozrodczego zegara.

Samo istnienie kobiecego zegara biologicznego warunkowane jest działaniem hormonów oraz ograniczoną ilością komórek jajowych, które wydalane są w czasie każdej miesiączki, a na dodatek z czasem tracą też na genetycznej jakości. Wpływ na cały ten mechanizm mają cechy dziedziczne, ilość tkanki tłuszczowej w organizmie, palenie papierosów oraz poziom codziennego stresu.
Tabela przedstawiająca schematyczny model dziennego zegara biologicznego; opracowanie własne na podst. https://www.intechopen.com/chapters/60408

Jak zegar biologiczny wpływa na zdrowie?

W najprostszym ujęciu zegar biologiczny reguluje dobowy cykl życia człowieka, sprawiając, że wieczorem czujemy się zmęczeni i zasypiamy, a rano budzimy się pełnie energii do działania. Implikacje tego prostego mechanizmu są jednak bardzo szerokie i obejmują m.in. stopień czujności i pobudzenia umysłu, głód i tempo metabolizmu, samopoczucie, poziom stresu, płodność, funkcjonowanie serca, a także działanie systemu odpornościowego.

Wśród ludzi obserwuje się przy tym różne chronotypy, czyli modele dziennej aktywności. Popularnie mówi się o „sowach” i „skowronkach”, ale alternatywne koncepcje proponują nawet cztery różne typy: niedźwiedzia, wilka, lwa i delfina. Nie jest więc prawdą, że wszyscy powinniśmy wstawać i kłaść się o tej samej porze – każdy z nas ma zakodowany pewien algorytm, który wpływa na to, gdy najlepiej się nam będzie pracować, odpoczywać, trawić czy trenować. Nawet w poszczególnych rodzinach obserwuje się ogólnie zmniejszoną lub wydłużoną potrzebę snu jako cechę dziedziczną!

Organizm w cyklu dobowym wydziela przede wszystkim melatoninę, która wpływa na poziom ospałości, ale także dopaminę, testosteron i kortyzol, który jest nie tylko hormonem stresu, ale także aktywności, gotowości do walki i wysiłku. Niestety, badania naukowe przeprowadzone w latach 2018-2019 na dorosłej populacji wykazują, że tzw. nocne typy ludzi częściej cierpią na zaburzenia psychologiczne i neurologiczne, cukrzycę, problemy żołądkowo-jelitowe oraz dolegliwości ze strony układu oddechowego. Ponadto, zaburzenia wewnętrznego zegara biologicznego w sposób udowodniony sprzyjają rozwojowi otyłości, zespołu metabolicznego, nadciśnienia oraz podatności na infekcje, a nawet nowotwory. Istnieją także studia łączące je z podwyższonym poziomem gniewu i agresji (Hood i in., 2018)
.
Ciekawostka:
Leki podawane rano wykazują często wyższą skuteczność!

W jaki sposób zaburzamy zegar biologiczny?

Człowiek pierwotny, tak jak zwierzęta, był zdominowany naturalnymi cyklami dnia i nocy – chodził spać, gdy się ściemniło, wstawał ze wschodem słońca, jadł, gdy był głodny, itd. Niestety, rozwój cywilizacji oprócz tylu dobrodziejstw przyniósł również liczne zakłócenia biologicznego zegara. Sam tylko wynalazek elektryczności sprawił, że noc da się oszukać ucząc się czy bawiąc do rana. Do tego dochodzą wspomniane już podróże samolotowe czy praca na nocne zmiany. Tymczasem według naukowców pojawienie się silnego światła na ok. 4-6 godzin przed momentem najniższej dobowej temperatury ciała (osiąganej zwykle 2 godziny przed obudzeniem) przekłada się na opóźnienie zegara biologicznego, co sprawia, że rano jeszcze będziemy wyraźnie ospali.

Poza zmianami w natężeniu światła na początek i koniec cyklów dobowych wpływają również wysiłek fizyczny oraz jedzenie. Zbyt późne uprawianie sportów lub spożywanie posiłków może mieć na organizm podobny wpływ jak siedzenie do późnej nocy przy włączonym świetle. Wreszcie, problem o głębszym podłożu mogą być także zaburzenia snu bezpośrednio wynikające np. ze stresu i zakłócające naturalny cykl dobowy.
Skowronek i sowa – dwa podstawowe modele dobowego rytmu człowieka. Źródło: shutterstock

Jak żyć w zgodzie z zegarem biologicznym?

Wedle szacunków, nawet 20% populacji co noc śpi o przynajmniej godzinę zbyt krótko, co przekłada się w kolosalny sposób na wspomniane wyżej mechanizmy regulacji głodu, odporności czy mentalnej sprawności. Aby powrócić do naturalnego cyklu specjaliści zalecają:
  • w ciągu dnia przebywać na słońcu / świetle dziennym możliwie najdłużej;
  • zachowywać stałe pory kładzenia się spać i wstawania;
  • zadbać o codzienną aktywność fizyczną, idealnie w godzinach 14:00 – 18:00;
  • unikać kofeiny po południu;
  • ograniczać natężenie wieczornego światła;
  • ewentualne drzemki ograniczyć w czasie i odbywać raczej wczesnym popołudniem;
  • unikać korzystania nocą z ekranów telewizora, telefonu, itd.;
  • unikać spożywania posiłków późnym wieczorem.
Pamiętajmy, że życie w zgodzie z zegarem biologicznym to optymalne wykorzystanie potencjału organizmu, co zaprocentuje w pracy, sporcie, życiu rodzinnym, a przede wszystkim w poprawie zdrowia!
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)

Bibliografia

  1. Liza H. Ashbrook i in.; “Genetics of the human circadian clock and sleep homeostat”; nature.com; 2021-11-16
  2. Hülya Çakmur; “Circadian Rhythm and Chronobiology”; intechopen.com; 2021-11-16
  3. Suzanne Hood I in.; “Biological Clocks and Rhythms of Anger and Aggression ”; frontiersin.org; 2021-11-16
  4. Kendra Cherry; “Synchronizing Your Biological Clock With a Schedule ”; verywellmind.com; 2021-11-16
  5. Tina Hesman Saey; “The origin of biological clocks”; sciencenews.org; 2021-11-16
Ocena (2.4) Oceń: