1234567
W jaki sposób zwierzęta odmierzają czas?
Krystyna Skwarło-Sońta
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
Paweł Majewski
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
 
Motto: CZAS jest to sposób, w jaki NATURA sprawia, że
wszystko nie dzieje się jednocześnie
Anonim

Słowa kluczowe: chronobiologia, rytm okołodobowy, okres, rytm "wolnobiegnący", zegar biologiczny, oscylator endogenny, jądra nadskrzyżowaniowe, geny zegarowe, szyszynka, pinealocyty.

Wstęp

Definicji CZASU jest bardzo wiele. Jedna z nich, zacytowana jako motto niniejszego wykładu, zwraca uwagę na niezbędność sekwencyjnego przebiegu procesów i udział NATURY w ich porządkowaniu. Konsekwencją przyjęcia tej definicji jest założenie, że procesy życiowe przebiegają w czasie z różną intensywnością, uporządkowaną w sposób gwarantujący przeżycie osobnika czy zachowanie gatunku. I mimo że od dawna obserwowano zależności czasowe w przebiegu zjawisk przyrodniczych, ich naukowy opis i analiza datują się od niewiele ponad półwiecza, kiedy powstała nowa dyscyplina - CHRONOBIOLOGIA. Już sama nazwa wskazuje, że chronobiologia zajmuje się organizacją procesów biologicznych w czasie, a więc to w jej obrębie będziemy szukać odpowiedzi na pytanie, postawione w tytule.

Warunki życia na Ziemi są ukształtowane przez powtarzające się dobowe, miesięczne i roczne zmiany okresów światła i ciemności, temperatury i wilgotności, pływów księżycowych, pór roku, a ich wspólną cechą jest przewidywalność. W toku ewolucji powstały mechanizmy, pozwalające antycypować te zmiany, a to z kolei ułatwia organizmom dostosowanie się do warunków środowiska, zwiększając tym samym szanse przeżycia. Dzięki istnieniu tych mechanizmów zwierzę podejmuje właściwe działania w odpowiednim czasie, a procesy życiowe przebiegają w optymalnych warunkach (a więc „wszystko nie dzieje się jednocześnie”). Mechanizmy te, oparte na biochemicznych sposobach pomiaru czasu, występują na każdym poziomie filogenezy, ale ich komplikacja wzrasta wraz ze stopniem rozwoju ewolucyjnego. Zdolność przewidywania okresowych zmian warunków środowiska implikuje konieczność istnienia endogennego zegara, odmierzającego czas.

Organizmy zasiedlające Ziemię podlegają nieustannym wpływom jej obrotów wokół własnej osi, wyznaczających następujące po sobie dzień i noc (czyli pory doby) oraz obiegu wokół Słońca, zapewniającego cykl roczny (czyli pory roku). Ich skutkiem jest sekwencyjne pojawianie się okresów światła i ciemności, których wzajemne proporcje w ciągu doby stopniowo zmieniają się, zamykając stały okres roku. Mimo iż zmianom warunków świetlnych najczęściej towarzyszą zmiany temperatury, wilgotności i innych czynników środowiskowych, to te pierwsze stanowią najistotniejsze źródło informacji o otaczającym świecie. Dokonują się bowiem stale z tą samą regularnością i nie zależą od takich nieprzewidywalnych czynników, jak pochmurny dzień czy suche, bezdeszczowe lato. Istnienie tej niczym niezakłóconej regularności przebiegu dobowych i rocznych zmian warunków świetlnych wymusiło zdolność organizmów do rozpoznawania ich następstwa, przewidywania pojawiania się kolejnych dni i nocy oraz pór roku, a co więcej - synchronizowanie przebiegu procesów wewnętrznych z tym, co dzieje się aktualnie i co niebawem nastąpi w otoczeniu. Najwyraźniejszymi przejawami takiej synchronizacji są okresy snu (odpoczynku) i czuwania (aktywności lokomotorycznej), następujące kolejno po sobie w ciągu doby oraz sezonowość większości procesów fizjologicznych, wśród których najlepiej poznana jest sezonowość rozrodu wielu gatunków zwierząt.

Zdolność odmierzania czasu zawdzięczają zwierzęta istnieniu wewnętrznego „zegara”, zapewniającego rytmiczne pojawianie się zmian tempa szeregu wielu procesów. Zmiany te definiuje się jako rytmy okołodobowe (cirkadialne, od łacińskich słów circa - około i dies - dzień). Obecność zegara sprawia, że nawet wówczas, kiedy zwierzę (lub człowieka) pozbawimy wszelkich informacji zewnętrznych (tzw. dawców czasu, zwanych z niemieckiego zeitgebern) - np. umieszczając je w izolowanym od otoczenia pomieszczeniu, w którym stale panuje światło (lub ciemność) a pokarm i woda obecne są cały czas w nieograniczonych ilościach - nasilenie procesów fizjologicznych będzie się u niego pojawiać mniej więcej co 24 godziny. Czas, upływający pomiędzy kolejnymi maksimami lub minimami nasilenia danego procesu nazywamy w chronobiologii okresem, który dla zjawisk powtarzających się regularnie w ciągu doby wynosi ok. 24 godziny. U człowieka najłatwiej można zaobserwować taki rytm endogenny mierząc temperaturę ciała, która zawsze - także w opisanych wyżej stałych warunkach otoczenia - wykazuje u osobnika zdrowego wartość najniższą we wczesnych godzinach porannych i najwyższą po południu. Jeśli jednak przez dłuższy czas pozbawimy go informacji o początku i końcu dnia, to skrajne wartości jego temperatury ciała będą się pojawiać stopniowo coraz później, a wyliczony okres będzie wynosił nieco ponad 25 godzin. Podobny przebieg wykaże rejestracja okresów jego aktywności i udawania się na spoczynek.

Kliknij, aby zobaczyć powiększenie
Rys 1. Schemat wolnobiegnącego rytmu temperatury ciała oraz okresów snu i aktywności u człowieka, przebywającego wiele dni w warunkach ciągłego światła (środkowa część rysunku). Literami t i T zaznaczono odpowiednio niską i wysoką temperaturę ciała.

Taki rytm, ujawniający się w stałych warunkach, choć z pewnymi przesunięciami w czasie, nazywamy „wolnobiegnącym” (ang. free-running), a o jego endogennym charakterze świadczy fakt występowania mimo braku informacji z zewnątrz. Jeśli pojawia się taka informacja, np. w postaci naprzemiennego występowania w ciągu doby okresów światła i ciemności, to następuje dostosowanie pracy endogennego zegara do warunków środowiskowych - nazywamy to synchronizacją. Jej pojawienie się widzimy na dolnej części Rysunku 1, gdzie pory najwyższej i najniższej temperatury ciała znowu przypadają odpowiednio na popołudnie i ranek, a pora snu wyznaczana jest przez nastanie nocy.

Inną ważną cechą rytmów endogennych jest tzw. kompensacja termiczna: długość okresu nie zależy od temperatury, czego konsekwencją jest stałość rytmów okołodobowych, niezależnie bowiem od tego, czy dzień jest upalny czy chłodny, doba zawsze trwa 24 godziny.

Rytmy dobowe są wrodzone - a więc nie można się ich wyuczyć lub zmienić w wyniku treningu. Można natomiast w warunkach doświadczalnych przenieść dany rytm na innego osobnika tego samego gatunku, przeszczepiając mu struktury, w których mieści się „zegar”, czyli te, które spontanicznie generują oscylacje okołodobowe. O tych strukturach, występujących u kręgowców, powiemy więcej w dalszej części tekstu.

1234567
powrót na górę strony
Wykład
W jaki sposób zwierzęta odmierzają czas?
Strona
1/7
Autorzy
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
Kliknij nazwisko autora, aby zobaczyć notkę biograficzną w serwisie Nauka Polska