Rytm dobowy: zegar biologiczny człowieka

Gdyby zamknąć człowieka w pomieszczeniu bez okien, zegarów i wskazówek co do pory dnia, nie przestałby zasypiać i budzić się w regularnym rytmie. Zmieniłoby się tylko jedno: rytm powoli przesuwałby się względem doby astronomicznej, bo wewnętrzny zegar biologiczny chodzi z okresem zbliżonym do dwudziestu czterech godzin, ale nie identycznym. To najprostszy dowód na to, że rytm dobowy nie jest reakcją na wschody i zachody słońca, tylko własnym, wewnętrznym procesem, który słońce jedynie nastawia.

Zegar ma konkretny adres. Głównym rozrusznikiem tego rytmu jest jądro nadskrzyżowaniowe, niewielka struktura w podwzgórzu, licząca kilkadziesiąt tysięcy neuronów. Otrzymuje ono informację o świetle bezpośrednio z siatkówki, i to nie od komórek odpowiedzialnych za widzenie obrazu, lecz od osobnej grupy komórek zwojowych zawierających własny barwnik światłoczuły. Ich jedyne zadanie polega na sygnalizowaniu, ile światła jest w otoczeniu. Dlatego osoby niewidome zachowujące funkcję tych komórek mogą mieć prawidłowo nastawiony rytm dobowy, a osoby pozbawione oczu często zmagają się z rytmem dryfującym.

Mechanizm molekularny tego zegara opiera się na pętli sprzężenia zwrotnego: geny wytwarzają białka, które po nagromadzeniu hamują własną produkcję, po czym ulegają rozpadowi i cykl zaczyna się od nowa. Za jego odkrycie Jeffrey Hall, Michael Rosbash i Michael Young otrzymali w 2017 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Warto podkreślić, że zegary tego typu działają nie tylko w mózgu — praktycznie każda tkanka ma własny rytm, a jądro nadskrzyżowaniowe pełni rolę dyrygenta utrzymującego je w zgodzie.

Sowy i skowronki to nie kwestia charakteru. Chronotyp, czyli naturalna skłonność do wcześniejszego lub późniejszego funkcjonowania, jest częściowo dziedziczny i zmienia się w ciągu życia. Dzieci są zwykle wyraźnie porannymi typami, w okresie dojrzewania chronotyp przesuwa się najpóźniej w całym życiu, a potem stopniowo wraca w stronę wcześniejszych godzin. To nie jest kwestia dyscypliny nastolatka ani lenistwa dorosłej sowy — przesunięcie ma podstawy biologiczne, co bywa argumentem w dyskusjach o godzinie rozpoczynania lekcji.

Społeczny jet lag. Pojęcie kojarzone z pracami Tilla Roennenberga opisuje rozjazd między zegarem biologicznym a zegarem społecznym: budzikiem, godzinami pracy, planem lekcji. Osoba o późnym chronotypie zmuszona wstawać o szóstej funkcjonuje w tygodniu tak, jakby co kilka dni przelatywała przez strefy czasowe, a w weekend odsypia i przesuwa się z powrotem — po czym w poniedziałek zaczyna od nowa. Praktyczny znak rozpoznawczy to duża różnica między porą snu w dni robocze i wolne. Im większa, tym większy rozjazd.

Ustawianie zegara jest w praktyce prostsze niż jego opis. Najsilniejszym sygnałem jest światło, a najskuteczniej działa jasne światło rano — najlepiej dzienne, bo nawet pochmurny dzień na dworze bywa jaśniejszy niż dobrze oświetlone wnętrze. Wieczorem działa zasada odwrotna: mocne światło opóźnia zegar, o czym szerzej w artykułach o melatoninie i o ekranach przed snem. Trzecim czynnikiem jest regularność — stała pora pobudki stabilizuje rytm skuteczniej niż stała pora zasypiania, bo to poranne światło jest głównym punktem odniesienia.

Rytm dobowy dotyczy przy tym znacznie więcej niż snu. Temperatura ciała, wydzielanie hormonów, ciśnienie krwi, wydolność fizyczna i sprawność uwagi mają własne dobowe przebiegi. Sen jest najbardziej widocznym objawem pracy tego zegara, ale nie jedynym — i to jest powód, dla którego chroniczne życie wbrew własnemu rytmowi kosztuje więcej niż tylko senność.

Najbardziej wymownym przykładem takiego rozjazdu jest praca zmianowa. Człowiek pracujący nocą ma zegar biologiczny nastawiony na sen dokładnie wtedy, gdy musi być czujny, a próba spania w dzień odbywa się wbrew sygnałowi światła i przy hałasie otoczenia. Skutkiem jest sen krótszy i płytszy, niż wynikałoby z liczby godzin przeznaczonych na odpoczynek. Podobnie, choć w mniejszej skali, działa każda zmiana czasu i każda dłuższa podróż przez strefy czasowe — zegar przestawia się o mniej więcej godzinę na dobę, więc powrót do zgodności zajmuje kilka dni, a nie jedną noc.

Częste pytania

Na czym to się opiera

• Nagroda Nobla 2017 dla Jeffreya Halla, Michaela Rosbasha i Michaela Younga za molekularny mechanizm zegara biologicznego
• Prace Tilla Roennenberga nad chronotypem i społecznym jet lagiem
• Badania nad światłozależnymi komórkami zwojowymi siatkówki i jądrem nadskrzyżowaniowym