Биологические часы: как наш организм понимает, что время идет?

В апреле этого года испанская спортсменка Беатрис Фламини вышла из подземелья после 500-дневного пребывания в пещере. Ее спуск под землю, вероятно, был самым длительным за последнее время.
Фламини говорит, что потеряла всякое чувство времени на 65-й день. Но может ли она действительно быть уверена, что это был 65-й день? Для сравнения, в 1962 году француз Мишель Сиффр вышел из пещеры Скарассон в Италии, проведя там, как ему показалось, 33 дня. На самом деле он провел под землей 58 дней.
Тиканье часов жизни
Как люди в полной изоляции могут отслеживать время? Все очень просто и одновременно сложно — биологические ритмы лежат в основе жизни, регулируя ее на всем пути от молекулярного уровня до уровня всего организма. К ним относятся не только наши циклы сна и бодрствования, но и температура тела, гормоны, обмен веществ и сердечно-сосудистая система, и это лишь некоторые из них.
Эти ритмы имеют множество последствий, и не в последнюю очередь с точки зрения здоровья. Действительно, обострение ряда заболеваний зависят от времени суток, например, астма более тяжелая ночью, в то время как сердечно-сосудистые осложнения чаще случаются утром.
Жизненные ритмы также влияют на то, как мы взаимодействуем с другими организмами. Например, африканский трипаносомоз, также называемый сонной болезнью, представляет собой нарушение нашего ежедневного ритма, вызываемое паразитом Trypanosoma brucei, метаболизм которого также ощущяется ежедневно — так же, как и наш иммунитет.
Гены: великие часовщики
Вращение Земли, Луны и Солнца порождает экологические циклы, которые благоприятствовали выбору биологических часов.
Биологические часы — это внутренний механизм, который в отсутствие сигнала окружающей среды работает на своей собственной частоте. Регулярное чередование дня и ночи, например, способствовало эволюции циркадных часов (circa, что означает приблизительно).
Циркадный часовой механизм был впервые обнаружен у плодовой мушки, также известной как дрозофила, в 1970-х годах. Они основаны на петлях обратной связи и трансляции нескольких генов: ген A способствует экспрессии гена B, который, в свою очередь, подавляет экспрессию гена A с определёнными колебаниями.
В течение дня свет вызывает уменьшение специфических факторов цикла через фоторецептор, называемый криптохромом. Интересно, что ключевые факторы в механизме, по сути, состоят всего из нескольких генов, называемых. Однако точная настройка и регулирование часов основаны на сложной молекулярной и нейронной сети, которая обеспечивает их хронометраж и точность.
Не существует единых, всеобъемлющих циркадных часов, которые организовывали бы всю жизнь, поскольку часовые гены варьируются от вида к виду. Но принцип остается тем же. Биологические ритмы были описаны у всех изученных на сегодняшний день таксонов (групп организмов), к которым относятся цианобактерии (тип бактерий, получающих энергию посредством фотосинтеза), грибы, растения и животные, включая человека.
Кроме того, различные указатели времени (zeitgebers) синхронизируют организм с окружающей средой: в частности, со светом (наиболее изученным на сегодняшний день), температурой и пищей.
Внутренние часы, синхронизированные с окружающей средой
Одно из очень конкретных следствий этих циркадных часов касается смены часовых поясов. Это отклонение внутреннего ритма человека от времени того часового пояса, в котором он находится.
Сигналы окружающей среды в целом и свет в частности помогают синхронизировать человека: свет, воспринимаемый в конце ночи, переводит часы вперед, в то время как свет, воспринимаемый в начале ночи, задерживает их. Свет, воспринимаемый в течение дня, не оказывает никакого эффекта.
У людей свет не воспринимается молекулярными часами напрямую, но улавливается сетчаткой и затем передается по ретино-гипоталамическому пути к центральным часам, где он модулирует синтез часовых белков. Однако система не является бесконечно масштабируемой: человеческому организму требуется примерно один день, чтобы адаптироваться к часовой разнице во времени.
Поскольку циркадный период, присущий Homo sapiens, длится в среднем 24,2 часа, нам легче путешествовать на запад и удлинять наши дни, чем на восток и укорачивать их. Именно поэтому спортсмены и исследователи, которые изолируют себя в глубинах Земли, в конечном итоге не синхронизируются со временем на поверхности и в конечном итоге воспринимают меньше дней, чем 24-часовые солнечные сутки.
Другие времена, другие часы
Циркадные часы — не единственный часовой механизм, существующий в природе. Многие биологические процессы носят сезонный характер, такие как миграция множества птиц и насекомых, размножение и спячка многих видов животных и цветение растений. Эта сезонность обычно определяется несколькими факторами, в том числе тем, что у многих видов известно как круглогодичные часы. Механизм этих часов еще не определен.
Механизмы часов у морских видов также неизвестны, отчасти из-за сложной временной структуры океанов. Морские организмы подвержены воздействию солнечного цикла чередования дня и ночи, который накладывается на серию лунных циклов, наиболее заметным из которых является цикл приливов (с периодом 12,4 часа или 24,8 часа). Полулунные и лунные циклы (14,8 дня или 29,5 дня), связанные с фазами Луны, также сильно изменяют морскую среду через освещение и приливы. Времена года также влияют на эти экосистемы.
Несмотря на сложность, временная структура морской среды предсказуема, и биологические ритмы, связанные со всеми этими циклами, были описаны в книге «Морские виды». Например, многие кораллы синхронизируют свое размножение, откладывая яйца раз в год в течение очень короткого периода времени. Некоторые морские черви собираются в рой ровно раз в месяц, в самые темные часы ночи, чтобы начать свой репродуктивный танец перед нерестом и смертью.
Источник: https://www.unexplained-mysteries.com/