W jaki sposób zwierzęta odmierzają czas.doc

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 niemieckiegozeitgebern) - 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.

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.

Rytmy dobowe występują powszechnie - wykrycie ich w ostatnich latach u Cyanobacteriadowodzi, że mechanizmy zegarowe funkcjonują także u tych form, które są pozbawione barier strukturalnych (w tym jądra komórkowego), umożliwiających przestrzenne rozdzielenie wzajemnie przeciwstawnych procesów biochemicznych (np. utlenianie i redukcja, fotosynteza i oddychanie itp.). Na temat powodów pojawienia się w ewolucji mechanizmów zegarowych istnieje wiele spekulacji. Być może u podstaw leżały spontaniczne oscylacje tempa syntezy i rozkładu makrocząsteczek, dzięki którym wzrastały zdolności adaptacyjne komórek, wyposażonych w „korzystne” gradienty stężeń. Jeden z losowo pojawiających się okresów takich oscylacji mógł być bliski 24 godzinom i ten został „przyjęty” przez komórki, łączył je bowiem ze zmianami okresu światła i ciemności.

Niezależnie od powodów, dla których pojawiły się mechanizmy zegara biologicznego, najważniejszą jego cechą jest to, że w warunkach naturalnych może być nastawiany przez zewnętrznych dawców czasu, a zdolność przewidywania zmian zachodzących w otoczeniu umożliwia organizmom takie porządkowanie procesów biochemicznych, fizjologicznych i behawioralnych, że pojawiają się z należytą intensywnością w odpowiednich porach dnia i roku. Te oscylacje okołodobowe występują na wszystkich poziomach organizacji życia: aktywności enzymów, poziomu hormonów, podziałów komórek, temperatury ciała, reakcji odpornościowych, wrażliwości na ból i środki znieczulające, sprawności intelektualnej, zdolności koncentracji, a nawet na poziomie populacji. Dobowa synchronizacja aktywności lokomotorycznej samców i samic wielu gatunków muchówek zwiększa prawdopodobieństwo spotkania partnerów seksualnych i sukcesu reprodukcyjnego, podczas gdy u innych owadów powstały bariery czasowe, ograniczające możliwości rozrodcze gatunków, zajmujących te same nisze ekologiczne.

Organizacja zegara biologicznego kręgowców

Zegar biologiczny to struktura, generująca spontaniczne oscylacje z częstotliwością okołodobową, a więc odmierzająca upływ czasu w okresie zbliżonym do 24 godzin. Aby jednak to odmierzanie czasu służyło całemu zwierzęciu i nie odbywało się w oderwaniu od warunków otoczenia, struktury zegara, czyli oscylatora endogennego muszą mieć drogi wejściowe, doprowadzające do niego sygnały środowiskowe oraz drogi wyjściowe, za pomocą których uruchamiane są cykliczne zmiany tempa procesów, kontrolowanych przez zegar (Rys. 2A).

U ssaków funkcję centralnego (nadrzędnego) oscylatora spełniają mieszczące się w podwzgórzu parzyste jądra nadskrzyżowaniowe (SCN, od łacińskiego suprachiasmatici nuclei) będące skupiskami neuronów, wykazujących spontanicznie rytmiczną aktywność elektryczną, która wartości maksymalne osiąga w okresie dnia.

Rys. 2. Organizacja zegara biologicznego kręgowców (schemat) - A, struktury anatomiczne, wchodzące w jego skład - B. 
LGN - jądra kolankowate boczne, RHT - droga siatkówkowo-podwzgórzowa, GHT - droga kolankowo-podwzgórzowa, SCN - jądra nadskrzyżowaniowe, OUN - ośrodkowy układ nerwowy.

Drogi doprowadzające informacje środowiskowe, głównie świetlne (fotyczne), za pośrednictwem których aktywność SCN jest dopasowywana do warunków otoczenia, tworzą siatkówka i szlak nerwowy siatkówkowo-podwzgórzowy (RHT). Należy przypomnieć, że droga od siatkówki do chiazmy (czyli skrzyżowania nerwów wzrokowych) jest wspólna z drogami przekazującymi następnie informacje do kory wzrokowej i ośrodków związanych z percepcją obrazu. Drogi wyjściowe to zarówno drogi nerwowe, jak i neurohormonalne, nastawiające rytmiczne funkcjonowanie wielu procesów fizjologicznych, takich jak zmiany temperatury, wydalanie niektórych elektrolitów, zmiany poziomu glukozy i wielu hormonów (np. kortykosteroidów we krwi).

Do niedawna uważano, że u kręgowców SCN stanowią nadrzędny oscylator okołodobowy, którego praca narzuca rytmikę funkcjonowania struktur podrzędnych, np. gruczołów dokrewnych. Podobną rolę pełnić miały niektóre komórki neurosekrecyjne w mózgu najlepiej pod tym względem poznanych bezkręgowców, czyli owadów. Obecnie przyjmuje się, że istnieją także niezależne zegary obwodowe (peryferyczne), zlokalizowane w takich narządach jak wątroba ssaka czy gonady owada; źródłem informacji środowiskowych są dla nich czynniki nie-fotyczne, takie jak pobieranie pokarmu czy temperatura otoczenia. Mechanizmy ich funkcjonowania są obecnie przedmiotem bardzo intensywnych badań.

Molekularne podłoże funkcjonowania zegara biologicznego

Postęp w zrozumieniu molekularnych podstaw rytmicznego przebiegu procesów i funkcjonowania zegara biologicznego dokonał się dzięki sukcesom biologii molekularnej. Doprowadziły one do identyfikacji tzw. genów zegarowych, odsłoniły niektóre tajniki regulacji ich ekspresji i pozwoliły zidentyfikować produkty tych genów oraz ich wzajemne oddziaływania. Co więcej, najnowsze odkrycia ujawniły uniwersalność molekularnego podłoża tych procesów - w mikroorganizmach, drożdżach, roślinach i u zwierząt na każdym poziomie ewolucji. Oczywiście, gatunkami wyróżniającymi się pod względem „rozszyfrowania” genów zegarowych są wiwilżanka octówka, popularnie nazywana muszką owocową Drosophila melanogaster i mysz, ale nawet tak odległe ewolucyjnie organizmy wykazują istotne podobieństwa molekularnych składowych zegara. Istnieją, naturalnie, także wyraźne różnice, charakterystyczne dla każdego z nich.

Mówiąc w największym uproszczeniu, tzw. geny zegarowe - różne u poszczególnych gatunków zwierząt - ulegają cyklicznej ekspresji i wyłączaniu w wyniku działania czynników transkrypcyjnych o charakterze regulatorów pozytywnych (włączających) i negatywnych (wyłączających). Oznacza to, że na każdym poziomie ewolucyjnym funkcjonowanie zegara biologicznego opiera się na tych samych zasadach: okres, amplituda i faza rytmu są wyznaczane przez grupy wyspecjalizowanych białek, których ilość (zależna m.in. od tempa biosyntezy i degradacji) podlega rytmowi okołodobowemu. W ten sposób tworzą się co najmniej dwie, wzajemnie połączone sprzężeniami zwrotnymi, regulacyjne pętle transkrypcyjne i translacyjne (pozytywna i negatywna), w zsynchronizowany sposób generujące oscylacje o stałym okresie ok. 24 godz (Rys. 3).

Rys. 3. Schemat molekularnego modelu funkcjonowania oscylatora okołodobowego organizmów eukariotycznych.

Synchronizacja pracy oscylatora endogennego z warunkami otaczającego świata jest możliwa dzięki temu, że światło (lub inny ważny czynnik środowiskowy, wyznaczający upływ czasu) wywiera zdecydowany i wyraźny wpływ na poziom jednego lub więcej składników zegara. W konsekwencji następuje efekt „falowania” w podległych, wzajemnie powiązanych pętlach molekularnych, co skutkuje stałą fazą endogennego generatora rytmów w stosunku do zewnętrznych czynników synchronizujących. Mimo istnienia znacznych podobieństw w poznanych mechanizmach molekularnych, znane są także istotne różnice, świadczące o niewiarygodnej plastyczności systemów, tworzących mechanizm zegara endogennego.

Synchronizacja zegara endogennego ze środowiskiem

Jak już wspomniano, najważniejszym i uniwersalnym czynnikiem środowiskowym, wpływającym na pracę zegara biologicznego, jest światło, a właściwie mieszczący się w 24 godzinach wzajemny stosunek długości okresu światła i ciemności. Jest on zarówno wyznacznikiem pory doby (dzień i noc) jak i roku (przybywanie i ubywanie dnia, czyli skracanie się i wydłużanie nocy), i podlega regularnym zmianom, niezależnie od wahań innych czynników, takich jak temperatura czy wilgotność. Dlatego umiejętność rozpoznawania aktualnych i przewidywania nadchodzących warunków świetlnych środowiska stanowi dla zwierząt uniwersalne źródło informacji i umożliwia im synchronizację wielu procesów fizjologicznych. Oprócz rozpoznania, istotną rolę w tym ciągu procesów regulacyjnych pełni także „przetłumaczenie” tej informacji na język sygnałów biochemicznych, czytelnych dla komórek i tkanek, które będą realizować procesy dostosowawcze. Większość, a właściwie wszystkie kręgowce wyposażone są w szyszynkę (dotychczas poznany wyjątek wydają się stanowić krokodyle) - narząd zdolny do pełnienia obu tych funkcji, to jest do odbioru informacji świetlnej i przetwarzania jej na sygnał biochemiczny w postaci rytmicznej syntezy i uwalniania związku o charakterze neurohormonu - melatoniny. Zanim jeszcze rozpoznano tę jej funkcję, szyszynka - jako pojedyncza struktura mózgowia, zlokalizowana u ludzi w szczytowej części głowy - przyciągała uwagę przyrodników, filozofów i kapłanów wielu systemów religijnych, którzy przypisywali jej nadzwyczajne role, często lokalizując w niej siedlisko duszy lub inną formę kontaktu z siłami nadprzyrodzonymi. Wielki filozof XVII wieku, Kartezjusz, nie tylko określał szyszynkę jako siedlisko duszy, ale był także pierwszym uczonym, który graficznie przedstawił szlak, po którym światło wędruje od oka do szyszynki. Współczesna wiedza zweryfikowała te drogi, ale istota odbioru informacji świetlnych przez szyszynkę pozostała aktualna.

Biosynteza melatoniny i jej rytm dobowy

Natura chemiczna głównego hormonu szyszynkowego, melatoniny, znana jest od końca lat 50. ubiegłego wieku, kiedy to uczony amerykański Aaron Lerner wyizolował ją z ogromnej liczby szyszynek bydlęcych (ok. 200 tys. sztuk, czyli 100 kg), pozyskiwanych z rzeźni. Praca była żmudna, pełna niepowodzeń i, jak głosi anegdota, uczony był o krok od zrezygnowania z poszukiwań, z takim trudem przynoszących pozytywne efekty. Dziś wiemy, że dodatkową przyczyną trudności Lernera był nieznany jeszcze wówczas fakt, że w szyszynkach pochodzących od zwierząt zabijanych w dzień biosynteza, a więc i zawartość, melatoniny jest nieznaczna. Szczęśliwie jednak wysiłki Lernera zostały uwieńczone sukcesem i od tego czasu melatonina, czyli N-acetylo-5-metoksytryptamina, stała się obiektem bardzo licznych badań, wydaje się bowiem pełnić wiele różnych funkcji biologicznych. W niniejszych rozważaniach przedstawiona zostanie jedynie jej rola w funkcjonowaniu zegara biologicznego.

Substratem do biosyntezy melatoniny jest aminokwas tryptofan, ulegający kolejnym przekształceniom enzymatycznym; jak już wspomniano, kluczowym enzymem tego ciągu przemian jest AA-NAT. Jak pokazuje Rysunek 7 jej aktywność w ciągu doby ulega rytmicznym zmianom, z charakterystycznym wzrostem w okresie ciemności i niskimi wartościami w dzień.

Rys. 7. Biosynteza melatoniny.

Taki sam rytm wykazuje zawartość melatoniny w szyszynce i jej poziom w krwi. Ponieważ, czas trwania nocnej, wzmożonej aktywności AA-NAT jest ściśle związany z długością okresu ciemności, to oznacza, iż w naturalnych warunkach oświetlenia czas ten ulega modyfikacjom, ściśle podążając za sezonowymi zmianami stosunku długości dnia i nocy. Dlatego melatonina uważana jest za „biochemiczny substrat” - lub hormon - ciemności, bowiem jej podwyższony poziom informuje komórki organizmu nie tylko o tym, że panuje ciemność, ale także o czasie jej trwania. Co więcej - kierunek zmian długości okresu ciemności, czyli jego wydłużanie się lub skracanie, wskazuje na aktualną i nadchodzącą porę roku, co kwalifikuje melatoninę jako wewnętrzny „zegar i kalendarz” organizmu (Rys. 8).

Rys. 8. Zmiany nocnego poziomu melatoniny, związane z porami roku pozwalają przypisać jej funkcję zegara i kalendarza, dzięki czemu może modulować wiele funkcji organizmu, w tym kontrolować rozwój gonad.

Odbiór informacji melatoninowej w komórkach docelowych

Widzimy więc, że melatonina (nazwana przez Axelroda przekaźnikiem neurochemicznym już w 1974 r., a więc stosunkowo niedługo po jej odkryciu), a raczej przebieg rytmu dobowego jej biosyntezy, przekazuje do organizmu informacje o warunkach świetlnych otoczenia. Pozwala to nie tylko odmierzać czas, ale także synchronizować pracę zegara endogennego z warunkami zewnętrznymi. Aby jednak taka funkcja mogła być spełniana, musi także istnieć możliwość odbioru tego sygnału, czyli wrażliwość na melatoninę, wyrażająca się obecnością jej receptorów w komórkach docelowych. Podobnie jak wiele innych hormonów, melatonina przekazuje swój sygnał za pośrednictwem receptorów błonowych, należących do nadrodziny receptorów związanych z białkami G (Tabela 1).

Zaawansowane badania z użyciem technik biologii molekularnej pozwoliły wyodrębnić co najmniej trzy podklasy receptorów błonowych melatoniny, które różnią się nie tylko budową i wrażliwością na inhibitory, ale także typem związanego z nimi białka G i mechanizmem wewnątrzkomórkowej transdukcji sygnału. Różnorodność włączanych w nią drugich przekaźników wewnątrzkomórkowych (cAMP, IP3, Ca2+) wskazuje na mnogość efektów wywoływanych przez melatoninę i rozległość jej funkcji regulacyjnych.

Jedną z ważnych cech fizykochemicznych melatoniny jest jej lipofilowość, sprawiająca, iż bez trudu pokonuje bariery biologiczne. Może ona zatem wnikać do komórek i wszystkich ich przedziałów bez pośrednictwa nośników. Dzięki temu melatonina może wiązać się z białkami cytozolowymi, w tym z kalmoduliną, stanowiącą rodzaj jej wewnątrzkomórkowego receptora, za pośrednictwem którego wpływa ona także na metabolizm Ca2+ i funkcje białek cytoszkieletu. Co więcej, w ostatnich latach wykazano, że receptory jądrowe z nadrodziny tzw. sierocych ROR/RZR również wiążą melatoninę, która może do nich dotrzeć właśnie dzięki swej lipofilowości.

Melatonina jako przekaźnik neurochemiczny

Ten krótki przegląd mechanizmów zaangażowanych w działanie melatoniny wskazuje, że ma ona ogromne możliwości przekazywania informacji do komórek docelowych i wywoływania w nich efektów regulacyjnych, będących odpowiedzią na informację o warunkach świetlnych środowiska. Kolejny etap w wyjaśnianiu roli melatoniny w synchronizacji procesów fizjologicznych organizmu z warunkami zewnętrznymi to badania nad lokalizacją receptorów melatoniny, czyli poszukiwanie narządów i komórek na nią wrażliwych. Początkowo, kiedy mało precyzyjnymi metodami autoradiograficznymi wykrywano jej receptory jedynie tam, gdzie występowały w szczególnej obfitości, uważano, że występują one wyłącznie w ośrodkowym układzie nerwowym, w tym zwłaszcza w SCN, a więc w endogennym zegarze biologicznym, generującym własne rytmy dobowe danego osobnika (Rys. 9).

Rys. 9. Synchronizacja pracy endogennego zegara (SCN, czyli jąder nadskrzyżowaniowych) i podległych mu procesów rytmicznych z warunkami świetlnymi otoczenia za pośrednictwem sygnałów melatoninowych.

...