Beatriz Flamini, o atleta, a aparut in aprilie dintr-o sedere de 500 de zile intr-o pestera – probabil cea mai lunga sedere intreprinsa in intestinele planetei noastre. Si-a pierdut simtul timpului in a 65-a zi, spune ea. Ei bine, poate al 65-lea. Nu este prima experienta de acest gen si, in 1962, cand francezul Michel Siffre a iesit din abisul Scarasson, in Italia, a crezut ca a petrecut acolo 33 de zile, in timp ce de fapt a stat acolo 58 de zile.
Cum si de ce poate fiinta umana, izolata, sa tina evidenta timpului, cu siguranta regulat, dar desincronizat cu mediul? Pentru ca in centrul vietii se afla ritmurile biologice, pe care le regleaza de la nivel molecular pana la nivelul organismelor.
La oameni, ritmurile zilnice includ nu numai ciclurile de activitate de somn/veghe, ci si temperatura corpului, secretia multor hormoni, metabolismul, sistemul cardiovascular, pentru a numi cateva.
Si aceste ritmuri au numeroase repercusiuni, in special in sanatatea publica. Unele boli sunt episodice, cum ar fi astmul, care este mai grav noaptea, sau accidentele cardiovasculare, care sunt mai frecvente dimineata.
Un alt exemplu, munca in schimburi (3×8 ore): desincronizeaza oamenii de mediul lor si ar putea fi asociat cu un risc crescut de aparitie a diferitelor tipuri de cancer in randul lucratorilor, ceea ce determina OMS sa il declare probabil cancerigen.
In fine, ritmurile sunt implicate si in interactiunile pe care le avem cu alte specii. De exemplu, boala somnului (sau „tripanosomiaza umana africana”) este o tulburare a ritmului nostru zilnic cauzata de parazitul Trypanosoma brucei, al carui metabolism este de asemenea zilnic – la fel ca imunitatea noastra.
Cand vine vorba de vreme, suntem prin urmare profund legati de mediul nostru si de speciile care il ocupa.
Ce da tempo-ul organismelor?
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 frecventa proprie, de unde prefixul circa –, adica aproximativ, atasat denumirilor de ceasuri.
Aceste ceasuri interne sunt cele care produc ritmuri biologice si organizeaza temporal sistemele vii, fie in special comportamentul, fiziologia sau reproducerea. Alternarea regulata a zilei si a noptii a favorizat, de exemplu, evolutia ceasului circadian (circa: aproximativ; diem: zi).
Mecanismul ceasului circadian a fost descoperit pentru prima data la o musca, Drosophila, intre anii 1980 si 2000. Se bazeaza pe bucle de feedback in transcrierea si traducerea catorva gene – o gena A influenteaza expresia unei gene B care, la randul sau, influenteaza. expresia genei A – a carei expresie deci oscileaza.
Ceea ce stabileste tempo-ul pentru organisme sunt, prin urmare, genele lor, care sunt activate sau inhibate intr-o maniera ciclica. La Drosophila, la nivel molecular, proteinele CLOCK (CLK) si CYCLE (CYC) formeaza un heterodimer care, in nucleul celulei, se leaga de regiunea promotoare a genelor perioadei (per) si atemporale (tim).
Aceste gene sunt apoi transcrise in ARN, exportate in citoplasma si apoi traduse in proteine. Aceste proteine, la randul lor, formeaza un heterodimer (PER: TIM), sunt transportate in nucleu si inhiba proteinele activatoare CLOCK si CYCLE.
In timpul zilei, lumina degradeaza proteina TIM prin actiunea unui fotoreceptor (o alta proteina, „criptocrom”), iar in absenta TIM, PER va fi, de asemenea, degradat. Degradarea proteinelor PER si TIM permite proteinelor CLK si CYC sa asigure din nou actiunea lor de activare, incepand astfel un nou ciclu. In cele din urma, o a doua bucla, legata de prima, implica gene care controleaza expresia genei ceas.
Aceste gene se afla in centrul mecanismului de ceas, care, in ansamblu, se bazeaza pe o retea moleculara complexa. Reglarea fina a tuturor moleculelor ceasului este cea care asigura sincronizarea si precizia acestuia.
Nu exista un singur ceas circadian; genele de ceas variaza in functie de specie. Dar principiul ramane acelasi: gene a caror expresie oscileaza. Ritmurile biologice au fost descrise in toate taxonii (grupurile de organisme) studiate pana in prezent, inclusiv cianobacteriile, ciupercile, plantele si animalele, inclusiv oamenii.
Mai mult, diferiti datori de timp (zeitgebers) sincronizeaza organismul cu mediul sau: lumina (care este cel mai descifrat dat de timp pana in prezent), temperatura, hrana in special.
Un ceas intern pe care mediul il ajuta sa-l seteze
O implicatie foarte concreta a acestui ceas circadian se refera, de exemplu, la jet lag. Aceasta este diferenta dintre timpul intern al organismului si ora fusului orar in care se afla.
Semnalele de mediu in general, si lumina in special, vor permite individului sa fie resincronizat: lumina perceputa la sfarsitul noptii permite avansarea ceasului, in timp ce lumina perceputa la inceputul noptii permite amanarea acestuia. Ceea ce este perceput in timpul zilei nu are efect.
La om, lumina nu este perceputa direct de ceasul molecular, ci este captata in retina apoi transmisa prin calea retino-hipotalamica catre un ceas central, unde va modula sinteza proteinelor ceasului. In plus, sistemul nu este extensibil asa cum se doreste, este nevoie de aproximativ o zi pentru ca organismul uman sa se adapteze la o ora de diferenta.
In Homo sapiens, timpul intern fiind in medie de 24,2 ore, ne este mai usor sa calatorim spre vest si sa ne lungim 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 viata de la suprafata si, in cele din urma, percep mai putine zile decat zilele solare de 24 de ore.
Ceasuri de sezon
Ceasul circadian nu este singurul mecanism de ceas care exista in natura. Multe procese biologice sunt sezoniere, cum ar fi migrarea anumitor pasari si insecte, reproducerea multor specii de animale si inflorirea in plante sau hibernarea.
Aceasta sezonalitate este in general multifactoriala, iar unul dintre factorii implicati este pentru multe specii un ceas circaanual. Mecanismul acestui ceas nu este inca elucidat.
Ritmuri complexe in ocean
In mod similar, mecanismele de ceas la speciile marine sunt inca necunoscute. Unul dintre motivele acestei ignorante consta in faptul ca oceanele au o structura temporala complexa.
Intr-adevar, organismele marine sunt expuse ciclului solar de alternanta zi/noapte, pe care se suprapun o serie intreaga de cicluri lunare, cel mai izbitor fiind asa-numitul ciclu mareelor (cu o perioada de 12,4 ore sau 24,8 ore). ).
Ziua lunara, adica timpul necesar pentru ca Pamantul sa faca o revolutie completa in jurul axei sale in raport cu luna (24,8 ore) si ciclurile semilunar si lunar (14,8 zile/29,5 zile), legate de fazele luna, de asemenea, moduleaza puternic mediul marin, prin intermediul luminii si al mareelor. In cele din urma, anotimpurile afecteaza si aceste ecosisteme.
Desi complexa, structura temporala a mediilor marine este totusi previzibila, deoarece se bazeaza pe cicluri astronomice, iar la speciile marine au fost descrise ritmuri biologice legate de toate aceste cicluri.
Multi corali, de exemplu, isi sincronizeaza reproducerea, depunand icre o data pe an, intr-o fereastra de timp foarte scurta, acoperind una sau cateva nopti. Viermii marini roiesc exact o data pe luna, in cele mai intunecate ore ale noptii, pentru a-si intreprinde dansul reproductiv inainte de a-si elibera gametii si de a muri.
Iar ritmurile biologice nu se limiteaza la mediul de coasta. Astfel, recent am demonstrat ritmuri in comportament si expresie genica la o adancime de 1.700 de metri, la o midie care traieste pe gurile hidrotermale ale Crestei Mid-Atlantic.
