Время нашей жизни

Возьмите красных глаз от Калифорнии до Нью-Йорка, и вы испытаете на себе действие внутренних часов вашего тела. Если после полета вы чувствуете сонливость или чувствуете «синдром смены часовых поясов», это связано с нарушением ваших естественных циркадных ритмов. Ваши внутренние часы показывают 3 часа ночи, но снаружи пора завтракать.
Живые организмы развили внутренние биологические часы, называемые циркадными ритмами, чтобы помочь их телам адаптироваться к суточному циклу дня и ночи (света и темноты), поскольку Земля вращается каждые 24 часа. Термин «циркадный» происходит от латинских слов «примерно» в день (diem).
Циркадные ритмы контролируются «часовыми генами», кодирующими часовые белки. Уровни этих белков увеличиваются и уменьшаются в ритмическом порядке. Эти колеблющиеся биохимические сигналы контролируют различные функции, в том числе когда мы спим и отдыхаем, а также когда мы бодрствуем и активны. Циркадные ритмы также контролируют температуру тела, сердечную деятельность, секрецию гормонов, артериальное давление, потребление кислорода, обмен веществ и многие другие функции.
Ежедневные циклы также регулируют уровни веществ в нашей крови, включая эритроциты, сахар в крови, газы и ионы, такие как калий и натрий. Наши внутренние часы могут даже влиять на наше настроение, особенно в форме зимней депрессии, известной как сезонное аффективное расстройство (САР).
Биологические часы состоят из трех частей: способ получать свет, температуру или другие данные из окружающей среды; белок и химические вещества, из которых состоят сами часы; и компоненты, помогающие часам контролировать активность других генов.
В последние несколько десятилетий ученые открыли гены, контролирующие внутренние часы: период (per) , часы (clk) , цикл (cyc) , безвременье (tim) , частота (frq) , двойное время (dbt) и другие. Часовые гены были обнаружены у различных организмов, от людей до мышей, рыб, плодовых мушек, растений, плесени и даже одноклеточных цианобактерий.

Где главные часы тела?

Основные циркадные часы, которые регулируют 24-часовые циклы в нашем теле, находятся в области, называемой супрахиазматическими ядрами (СХЯ), в гипоталамусе головного мозга. SCN состоит из двух крошечных кластеров из нескольких тысяч нервных клеток, которые «рассказывают время» на основе внешних сигналов, таких как свет и темнота. SCN регулирует сон, обмен веществ и выработку гормонов.
Насколько важен SCN? При удалении СХЯ крысы нарушается ее суточный цикл активности и сна. СХЯ по-прежнему производит ритмичные химические сигналы даже за пределами мозга животного.
Считается, что SCN синхронизирует «местные» часы, которые находятся в органах и тканях по всему телу, либо посредством гормонов, либо изменений температуры тела. В печени, легких, яичках, соединительной ткани и мышцах были обнаружены локальные генные часы, независимые от главного водителя ритма мозга.
Одним из примеров местных часов являются плодовые мушки. Клетки в их антеннах демонстрируют циркадный ритм, независимый от главных часов мозга. Колебания антенн коррелируют с обонянием, которое ночью более чувствительно, чем днем.

Читайте также:  Измерение экспрессии генов

Область супрахиазматических ядер (СХЯ) расположена в гипоталамусе головного мозга. SCN посылает сигналы по всему телу в ответ на темноту и свет.

Сколько часов в биологических часах?

Циркадный ритм человека составляет не 24 часа, а на 10-20 минут больше. У других видов циркадные ритмы варьируются от 22 до 28 часов. Биологические часы продолжают работать, даже если организмы удалены от естественного света. Без дневного света биологические часы будут продолжать идти по собственному естественному циклу. Но как только утренний свет попадает в глаза, часы переустанавливаются, чтобы соответствовать земным 24-часовым суткам.
Почему внутренние часы организмов не идут ровно 24 часа? Компьютерное моделирование показывает, что конкуренция за пищу и другие ресурсы наиболее интенсивна среди видов с 24-часовым циклом. Если вы едите в то же время, что и все остальные, у вас меньше шансов получить свою долю. Наши слегка рассинхронизированные внутренние часы могли эволюционировать, чтобы помочь нам выжить в конкурентной борьбе.
Биологические часы также играют роль в более длительных циклах, таких как спячка, миграции и даже ежегодные изменения шерсти и окраски. Когда мозг животного регистрирует более длинные дни весной и более короткие дни осенью, он запускает секрецию гормонов, влияющих на эти события.

Циркадные часы в мозгу хомяка сигнализируют об изменении цвета шерсти в зависимости от времени года, высвобождая гормон мелатонин.

Как работают часовые гены?

Часовые гены — это наборы инструкций, которые кодируют часовые белки. Гены и белки взаимодействуют друг с другом, вызывая ежедневные колебания уровня белка. Центральным игроком является ген per , который кодирует белок PER. Уровни PER самые высокие ранним вечером и самые низкие в начале дня.
У плодовых мушек продукты генов clk и cyc работают вместе, чтобы активировать гены per и tim , чтобы они производили белки. Эти белки, PER и TIM, затем объединяются и медленно накапливаются в ядре клетки, где они замедляют гены clk и cyc , что, в свою очередь, деактивирует per и tim и останавливает дальнейшее производство белков PER и TIM. Когда PER и TIM уменьшаются, clk и cyc снова начинают действовать, начиная новый дневной цикл.
Цикл немного сложнее у млекопитающих, у которых clk работает с геном Bmal1 , а не с cyc . Кроме того, у млекопитающих есть три версии гена Per .
Другие часовые гены также играют роль. У плодовой мушки ген dbt кодирует белок, который помогает расщеплять белок PER, чтобы поддерживать его на нужном уровне в определенное время суток. Ген, названный pdf (рассеивающий пигмент белок), кодирует белок, который, по-видимому, сообщает остальным частям тела мухи, который сейчас час, в соответствии с главными часами в ее мозгу.

В 2001 году ученые из Университета штата Юта открыли первый человеческий ген часов. Они обнаружили его, изучая редкое наследственное заболевание, из-за которого люди рано засыпают и спонтанно просыпаются за несколько часов до рассвета. Часовые гены обычно не дают нам спать днем ​​и спать ночью. Но этот часовой ген изменен таким образом, что нарушает нормальный цикл сна.
Этот наследственный характер сна, известный как «семейный синдром продвинутой фазы сна» (FASPS), был связан с изменением гена hPer2 . Люди с FASP — «утренние жаворонки», которые обычно засыпают к 7 часам вечера и просыпаются около 2 часов ночи. Другое состояние сна, называемое «синдромом отсроченной фазы сна», имеет противоположный эффект, превращая страдающих им людей в экстремальных полуночников. Они очень поздно засыпают и с трудом просыпаются утром. Синдром отсроченной фазы сна был связан с изменением гена hPer3 .
Любой студент, который занимался «всю ночь», знает, что циркадные часы — не единственный фактор, влияющий на сон. Наша потребность во сне также играет роль. Когда крысы бодрствуют и бдительны, главные часы их мозга более активны. Когда крыс лишают сна, их основные часы не реагируют нормально.
Солнечный свет каждый день сбрасывает внутренние биологические часы, синхронизируя их с 24-часовым сутками. Если бы вы жили в подземном бункере при постоянном искусственном освещении, вы продолжали бы следовать примерно 24-часовому режиму сна и бодрствования, но, поскольку он длится не ровно 24 часа, ваш цикл постепенно сбивался бы по фазе с фактическим дневным и ночным временем. .
Воздушное путешествие в отдаленный часовой пояс также может нарушить нормальные циклы. В результате смены часовых поясов возникает разрыв между местным временем и временем вашего тела, а также разрыв между главными часами вашего мозга и локальными часами в тканях по всему телу. Как только вы прибудете в пункт назначения, изменение дневного времени «увлечет» или сбросит ваши внутренние часы, но потребуется несколько дней, чтобы избавиться от смены часовых поясов.

Читайте также:  Рак

Каковы последствия для здоровья часовых генов?

Точное понимание того, как работают часовые гены, может помочь ученым разработать новые лекарства, которые регулируют или переустанавливают биологические часы человека для лечения вредных последствий смены часовых поясов, работы в ночную смену или зимней депрессии. Часовые гены также могут указывать на расстройства сна, такие как нарколепсия, из-за которой люди чувствуют сонливость в течение дня.
Наши внутренние часы контролируют уровень гормонов, которые могут влиять на то, как наш организм реагирует на определенные лекарства. Лучшее знание циркадных ритмов может повысить эффективность лекарств, определяя лучшее время для их приема.
Свет используется для лечения людей с сезонным аффективным расстройством, формой депрессии, которая проявляется в короткие зимние дни. Некоторые исследования показывают, что светотерапия более эффективна, если она синхронизирована с внутренними часами пациента, поэтому некоторых пациентов лечат воздействием яркого света рано утром. Яркий свет также использовался, чтобы помочь людям приспособиться к смене часовых поясов и к изменениям в рабочих сменах.
Часовые гены могут когда-нибудь помочь ученым лечить рак. Известно, что по крайней мере восемь часовых генов координируют нормальные функции, такие как пролиферация клеток (которая не контролируется при раке) и самоубийство клеток (которое не происходит в опухолевых клетках). Одно исследование показало, что без гена mPer2 мышиные клетки с поврежденной ДНК становятся раковыми, а не совершают клеточный суицид. Если часовые гены действительно играют роль в развитии рака, они могут стать мишенью для новых лекарств, которые могут нарушить «часы» и остановить рак.
Старение может нарушить синхронизацию локальных часов по всему телу и их синхронизацию с главным хронометристом мозга. Одно исследование показало, что электрическая активность во внутренних часах стареющих крыс была не такой регулярной, как у молодых крыс, поэтому стареющие крысы делали то, что часто делают пожилые люди: дремали в течение дня.

Читайте также:  Почему сейчас самое подходящее время

Как свет сбрасывает биологические часы?

Только в последние годы ученые начали понимать, как суточный цикл дня и ночи передается от глаза к главным часам в мозгу.
Палочки и колбочки в сетчатке глаза воспринимают свет и формируют зрительные образы. В течение многих лет ученые считали, что наши циркадные часы сбрасываются с помощью родопсина, обнаруживающего свет белка в палочках и колбочках. Но исследователи недавно обнаружили доказательства существования отдельной системы обнаружения света в глазу. Они считают, что он измеряет общую яркость, чтобы помочь сбросить наши внутренние часы.
Эта недавно открытая система может объяснить, почему некоторые слепые люди и мыши, у которых отсутствуют палочки и колбочки, все еще могут сбрасывать свои внутренние часы и регулировать свои биологические ритмы. Белок под названием меланопсин, чувствительный к синему свету, имеет решающее значение для системы определения яркости. Ученые считают, что небольшая часть светочувствительных «ганглиозных клеток сетчатки» глаза содержит меланопсин и передает сигналы главным часам мозга.

А как насчет часовых генов у растений?

Растения используют свои циркадные часы для определения продолжительности дня. Когда их часы определяют более короткие осенние дни, они подают сигнал растению производить семена и сбрасывать листья. Когда весенние часы показывают более длинные дни, растения выращивают цветы или плоды. Биологические часы также помогают растениям подготовиться к восходу солнца, поднимая листья и готовясь к фотосинтезу для преобразования солнечного света в пищу. А внутренние часы играют роль в открытии и закрытии пор листьев и сворачивании листьев в ночное время, чтобы предотвратить потерю воды.
Некоторые исследователи обнаружили доказательства того, что растения могут иметь два внутренних часа: одни чувствительны к свету, а другие чувствительны к температуре. Были идентифицированы гены, которые кодируют белки, которые обнаруживают солнечный свет, отправляют информацию о длине дня во внутренние часы растения и задерживают цветение до тех пор, пока дни не станут достаточно длинными.
Научившись манипулировать генетическими часами растений, ученые могут сделать сельскохозяйственные культуры более продуктивными, более устойчивыми к стрессовым условиям и способными расти в более широком диапазоне условий.

Оцените статью
Генетика - сайт о науке
Добавить комментарий