Margit Kossobudzka: Czym jest zegar biologiczny?

Prof. dr hab. Elżbieta Pyza z Instytutu Zoologii UJ: To zbiór komórek nerwowych zwanych "neuronami zegara" lub innych komórek, np. w wątrobie czy nerkach, które w sposób cykliczny kontrolują wydzielanie pewnych substancji sygnalizacyjnych. Zegar główny - nadrzędny - znajduje się w mózgu. Oprócz niego działają jeszcze tzw. zegary peryferyjne zawiadujące pracą poszczególnych narządów. Zegar biologiczny jest samopodtrzymującym się mechanizmem złożonym z genów i białek wywołujących cykle, które powtarzają się w rytmie mniej więcej 24-godzinnym nawet przy braku bodźców zewnętrznych - np. w całkowitej ciemności.

Co nim steruje?

- Jego istotą są dwa geny - period (per) i timeless (tim). Ich obecność wykryto po raz pierwszy u muszki owocowej Drosophila melanogaster już w latach 70. Od tamtej pory wiadomo, że wszystkie organizmy mają geny zegara, natomiast u owadów i kręgowców są one bardzo podobne i w podobny sposób działają. Do tego stopnia, że gen myszy przeniesiony do muszki może funkcjonować w zbliżony sposób. Neurony zegara wydzielają do organizmu substancje sygnałowe (neuropeptydy), które wędrują do narządów i tam informują komórki, że czas przygotować się do działania lub do odpoczynku.

Ale przecież i bez tego budzik nastawiony na siódmą zerwie nas z łóżka.

- Tak, ale wyobraźmy sobie, że nasz organizm dopiero na sygnał dzwonka orientuje się, że już jest rano i trzeba wstawać...

I co by się stało?

- Jedna wielka katastrofa. Chyba byśmy nie wstali. Aby organizm zaczął sprawnie działać, musi podnieść ciśnienie krwi, zwiększyć tętno, przygotować mięśnie do skurczów - to wszystko nie dzieje się natychmiast. Sama produkcja białek trwa przynajmniej godzinę. Już przed pobudką organizm musi być gotowy, by zacząć nowy dzień.

Czy rodzimy siÄ™ z nastawionym zegarem?

- Gdy przychodzimy na świat, zegar wskazuje godzinę zero. Cały mechanizm jest gotowy do działania, ale trzeba go uruchomić i nastawić. Noworodek uczy się odróżniać dzień od nocy, aktywność opiekunów od odpoczynku. Dzięki temu działanie narządów dziecka się synchronizuje.

Światło jest tym włącznikiem?

- Jest pierwszym bodźcem. Potem równie istotna jest krzątanina ludzi dookoła dziecka. Zegar dojrzewa pod wpływem czynników zewnętrznych.

Od ponad 15 lat bada Pani wewnętrzne rytmy, jakim podlegają organizmy zwierząt. Czego dowiedzieliśmy się przez ten czas?

- Wiemy już bardzo dużo na temat samego zegara biologicznego - gdzie jest, jak wywołuje wewnętrzne sygnały i jakie są konsekwencje zabaw z zegarem. Wciąż jednak niewiele wiemy o tym, w jaki sposób główny zegar przesyła informację do tkanek i komórek. Żeby się tego dowiedzieć, trzeba badać wpływ zegara na poziomie komórkowym. Na tym koncentrują się teraz prace mojego zespołu w Zakładzie Cytologii i Histologii Instytutu Zoologii UJ. Wdzięcznym obiektem badań jest muszka owocowa...

Ulubiony owad biologów i genetyków...

- Bo naprawdę jest świetna do obserwacji! Wiele genów muszki ma swoje odpowiedniki u człowieka. A pojedyncze neurony zegara muchy łatwo można zlokalizować pod mikroskopem. Możemy je wszystkie policzyć i sprawdzać, jak się zachowują, gdy muszka jest aktywna - o świcie i zmierzchu. Albo co się dzieje, gdy ma południową sjestę, a w środku nocy głęboko śpi.

Muszki mają sjestę i śpią? Czy to nie przesada?

- Skąd. Mają, podobnie jak człowiek, dwa szczyty aktywności - o świcie i o zmierzchu (u niektórych z nas przypadają one na 10 rano i 18 wieczorem). Robią sobie też sjestę. Zwierzęta niższe normalnie śpią, a nie tylko zapadają w jakieś odrętwienie lub czuwanie. I co więcej - prowadzone są badania nad ich snem. Wiadomo, że podobnie jak u ludzi na sen muszki działają np. kofeina czy melatonina.

Co ciekawego udało się Pani odkryć w muszym zegarze?

- Okazuje się, że komórki nerwowe muszek w układzie wzrokowym zmieniają liczbę połączeń (synaps) między sobą w zależności od pory dnia, czyli aktywności muszki. A od ich liczby zależy funkcjonowanie mózgu i odbieranie informacji ze środowiska. Co więcej, neurony obudzonej muchy wyglądają zupełnie inaczej niż wtedy, gdy śpi. Wielu uczonych nie może w to uwierzyć! Zawsze uważano, że zbudowany w określony sposób neuron nie może się zmienić. A tutaj proszę. O świcie, gdy muszki się budzą, ich komórki nerwowe się powiększają, wyciągają małe wypustki (dendryty) jak ramiona do innych komórek, ich aksony ("druty elektryczne", którymi impuls nerwowy wychodzi z komórki) robią się grubsze, powiększa się też jądro komórkowe. Kiedy zaś mucha śpi, neurony zegara przechodzą na pozycję "stand by". Ich ramionka się chowają, autostrada aksonowa przekształca się w drogę lokalną, a jądro się kurczy.


Za najnowsze prace swojego zespołu otrzymała Pani właśnie nagrodę Wydziału Nauk Biologicznych PAN. Czy takie badania przekładają się na medycynę, nowe trendy w farmakologii?

- Oczywiście. Badania nad zegarem biologicznym przynoszą nową wiedzę o odpowiedniej porze podawania leków czy godzinach operacji. Najczęściej te doświadczenia wykorzystuje się w badaniach zaburzeń snu. Udowodniono, że mutacja jednego z genów per u człowieka powoduje zakłócenia snu. Chodzi o ludzi, którzy zapadają w sen już o 19 i śpią normalnie, ale budzą się o trzeciej w nocy gotowi do działania. Bywa też na odwrót: są ludzie, którzy przed południem nie mogą oprzytomnieć, a spać chodzą koło drugiej w nocy. To zaburzenie często pojawia się u osób młodych i wraz z wiekiem zanika. Niewielkie różnice w porze zasypiania i budzenia się pomiędzy ludźmi to po prostu różnice cech zegara biologicznego, których do tej pory nie chce się uwzględniać. Lekarze nadal najchętniej robią operacje bardzo wcześnie rano, podczas gdy organizmy niektórych pacjentów nie są jeszcze gotowe do znoszenia trudów choćby znieczulenia.

Podobno naukowcy zidentyfikowali ponad 100 różnych leków, których działanie zmienia się w zależności od pory dnia lub nocy. Czy to prawda, że niektóre leki potrafią działać nawet cztery razy mocniej i dłużej rano niż wieczorem?

- Tak. Podawane w tej samej dawce o jednej porze dnia mogą leczyć, a o innej wręcz szkodzić.

Z czego to wynika?

- Właśnie z zegara biologicznego. Człowiek jest poddany wielu wewnętrznym rytmom. W ciągu doby cyklicznie zmienia się ciepłota ciała (w dzień ok. 37 st., w nocy 36), odczuwanie ciepła, tętno, ciśnienie krwi, praca serca, wydzielanie hormonów, skład krwi. Nawet poziom poszczególnych pierwiastków jest inny w nocy i w dzień. Rano organizm nastawiony jest na zbieranie energii do życia, po południu na jej zużywanie.

Wiemy już, że nie powinniśmy działać wbrew naturalnym rytmom naszego ciała, ale czy tego zegara nie można trochę oszukać?

- Można w pewnym stopniu wpływać na jego rytm, ale nie można go zatrzymać. No i wszelkie zmiany wymagają czasu. Wiedzą o tym doskonale ludzie, którzy dużo podróżują samolotem, zmieniając strefy czasowe. Nasz organizm może stopniowo się przestawić na inną porę jedzenia czy spania. Ale by przesunąć zegar tylko o godzinę, potrzeba jednej doby. Nie wszystkim to się udaje. Niektóre osoby nigdy np. nie przystosują się do pracy nocą. A najbardziej zabójcza jest praca na trzy zmiany. W takich warunkach organizm nie wie, czy ma odpoczywać, czy mobilizować się do intensywnej pracy. To niesie fatalne skutki dla zdrowia.

Nasze warunki życia znacznie różnią się od dnia powszedniego naszych przodków. Siedzimy cały dzień w biurze, prawie nie widząc słońca. Czy to nie zmieniło naszego zegara?

- Biologiczny zegar człowieka jest nastawiany nie tylko przez światło, ale w bardzo dużej mierze przez nasze codzienne sprawy. Przez to, co regularnie robimy.

Czyli nasz wewnętrzny zegar to nie jest zegar słoneczny.

- W biurach nasz rytm życiowy bardziej wyznaczają spotkania z ludźmi niż pora dnia. Ale wydaje się, że ludzkie ciało nie nadąża za tymi zmianami. Dużo mówi się ostatnio o zaburzeniach zegara biologicznego i narastającym problemie niektórych chorób psychicznych, np. schizofrenii czy depresji. Na razie nie wiadomo, co jest skutkiem, a co przyczyną. Czy depresja rozstraja zegar, co objawia się zaburzeniami spania lub łaknienia? A może to nieprawidłowości w rytmach dobowych powodują depresję? Tak czy inaczej wydaje się, że zależność między tymi zjawiskami istnieje.

Kłopoty ze snem mają często ludzie starsi. Czy z wiekiem nasz zegar się psuje?

- Tak, ale można go oddać do naprawy. Starzejący się ludzie coraz słabiej odbierają bodźce płynące z otoczenia. Gorzej widzą czy słyszą. To powoduje, że główny zegar traci orientację, natomiast obwodowe zaczynają "rządzić" się same. A wątroba nie może pracować na pełnych obrotach razem z nerkami - pewne procesy muszą zachodzić w ścisłej kolejności. Na szczęście jest sposób na szalejące zegary. Starsi ludzie powinni wykonywać te same czynności o stałej porze. Np. jeść, chodzić na spacery, lekko ćwiczyć fizycznie czy choćby czytać książkę. To pozwala organizmowi nastawić się na nowo i mniej chorować.

Czyli w naszym ciele nie ma miejsca na improwizacjÄ™ i chaos?

- Absolutnie. Żyjemy pod dyktando naszych wewnętrznych zegarów.