Πολύπλευρος ο ρόλος των βιολογικών ρολογιών

Πολύπλευρος ο ρόλος των βιολογικών ρολογιών

Sci Am - Kyle Bean

Οποιοσδήποτε έχει ταξιδέψει αεροπορικώς σε κάποια μακρινή χώρα της ανατολής ή της δύσης, έχει γνωρίσει από πρώτο χέρι τι συμβαίνει όταν το εσωτερικό ρολόι του οργανισμού αποκτήσει μεγάλη διαφορά ώρας από το ρολόι του τόπου προορισμού. Η κατάσταση του οργανισμού που ονομάζεται τζετ λαγκ (jet lag) μπορεί να χρειαστεί ακόμη και μια βδομάδα για να ξεπεραστεί, ανάλογα αν το βιολογικό ρολόι που βρίσκεται βαθιά μέσα στον εγκέφαλο χρειάζεται να πάει μπροστά ή πίσω, ώστε ο εγκέφαλος και όλος ο οργανισμός να θέλει πάλι να κοιμηθεί όταν έξω υπάρχει σκοτάδι. Προς έκπληξή τους, οι επιστήμονες έμαθαν τα τελευταία χρόνια ότι, εκτός από το κεντρικό βιολογικό ρολόι στον εγκέφαλο, ο ανθρώπινος οργανισμός εξαρτάται και από πολλά περιφερειακά ρολόγια, που βρίσκονται στο συκώτι, στο πάγκρεας και άλλα όργανα, ακόμα και στο λιπώδη ιστό. Αν κάποιο από αυτά τα περιφερειακά ρολόγια αποσυγχρονιστεί με το κεντρικό, τότε δημιουργούνται προϋποθέσεις για παχυσαρκία, διαβήτη, κατάθλιψη και άλλες σύνθετες παθήσεις.

Κεντρικός ρόλος στην εξέλιξη

Οι μελέτες στα εργαστήρια επικεντρώνονται κυρίως στα ποντίκια αλλά γονίδια κιρκαδικών ρυθμών (βιολογικών ρολογιών) έχουν εντοπιστεί σε ευρύτατο φάσμα ζωντανών οργανισμών, από τα βακτήρια και τις φρουτόμυγες, μέχρι τους ανθρώπους. Πολλά απ' αυτά τα γονίδια είναι παρόμοια σε πολλά είδη, δείγμα ότι είχαν κεντρικό ρόλο για την επιβίωση σε όλη την πορεία της εξέλιξης των ειδών.
Μεγαλύτερη πρόοδος μέχρι σήμερα έχει σημειωθεί στην αποκρυπτογράφηση του ρόλου των βιολογικών ρολογιών στο μεταβολισμό, το σύνολο των διεργασιών με το οποίο το σώμα μετατρέπει την τροφή σε ενέργεια και αποθηκεύει «καύσιμα» για όταν χρειαστούν. Το πότε τρώμε φαίνεται να έχει ίδια σημασία με το τι τρώμε, όσον αφορά τη ρύθμιση του βάρους. Οι κιρκαδικοί ρυθμοί, φυσικά, δεν εξηγούν κάθε πλευρά αυτών των σύνθετων καταστάσεων του οργανισμού αλλά η αγνόηση των βιολογικών ρολογιών δεν μπορεί να γίνει χωρίς συνέπειες. Η βαθύτερη και ευρύτερη γνώση των κιρκαδικών ρυθμών ενδέχεται να επηρεάσει ριζικά τον τρόπο διάγνωσης και θεραπείας ορισμένων παθήσεων και να συμβάλει στη διατήρηση της υγείας των ανθρώπων στο μέλλον.

Στο ρυθμό του ημερονυκτίου

Η ζωή στη Γη κινείται με βάση τους ρυθμούς του εικοσιτετράωρου ημερονύκτιου. Στους ανθρώπους ένα κεντρικό βιολογικό ρολόι στον εγκέφαλο συγχρονίζει ελεγχόμενα απ' αυτό ρολόγια σε διάφορους ιστούς του σώματος. Ορισμένα γονίδια παράγουν πρωτεΐνες συγκεκριμένες ώρες της μέρας, που εντείνουν ή κατευνάζουν βιολογικές διεργασίες. Αν αποσυγχρονιστούν εμφανίζονται προβλήματα υγείας.

Ολοι οι βιολογικοί οργανισμοί στη Γη είναι προσαρμοσμένοι στο εικοσιτετράωρο ημερονύκτιο. Κιρκαδικοί ρυθμοί παρατηρούνται ακόμα και στις πιο πρώιμες μορφές ζωής, που επιζούν ως σήμερα, τα κυανοβακτήρια, μονοκύτταρα φύκη διαδεδομένα σε διάφορα οικοσυστήματα. Αυτοί οι οργανισμοί παίρνουν ενέργεια από τον ήλιο μέσω φωτοσύνθεσης, χρησιμοποιώντας το φως για να παράγουν τα απαραίτητα οργανικά μόρια (και οξυγόνο) από νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Ενα εσωτερικό ρολόι επιτρέπει σε κάθε κυανοβακτήριο να «προθερμάνει» το φωτοσυνθετικό του μηχανισμό λίγο πριν την ανατολή, ώστε να αξιοποιήσει στο μέγιστο την ενέργεια που θα του δώσει το φως του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας. Το ίδιο ρολόι «κλείνει το διακόπτη» της φωτοσύνθεσης μόλις σουρουπώσει, ώστε το κυανοβακτήριο να μη χάσει ενέργεια και χρήσιμες πρώτες ύλες σε ένα μηχανισμό που δε μπορεί να λειτουργήσει τη νύχτα.
Πειράματα με κυανοβακτήρια έδειξαν ότι όταν το εσωτερικό τους ρολόι ήταν συγχρονισμένο με το εξωτερικό, αυτά παρουσίαζαν την πιο γρήγορη ανάπτυξη. Μάλιστα, όταν το εσωτερικό τους ρολόι ρυθμίστηκε στις 22 ώρες και ο κύκλος φωτός - σκότους προσαρμόστηκε ανάλογα, τα βακτήρια αυτά αναπτύσσονταν ακόμη πιο γρήγορα από εκείνα με ρολόι και ημερονύκτιο 24 ωρών. Αν και ο μηχανισμός των βιολογικών ρολογιών του ανθρώπου στηρίζεται σε διαφορετικά γονίδια από των κυανοβακτηρίων, μοιράζεται πολλά κοινά χαρακτηριστικά μ' αυτά, δείχνοντας ότι και οι δύο μηχανισμοί αναπτύχθηκαν ξεχωριστά κατά τη βιολογική εξέλιξη για να αντιμετωπίσουν τις ίδιες βιολογικές ανάγκες και λειτουργίες.

Οι συνέπειες του αποσυντονισμού

Παλιότερες μελέτες με εργάτες που κάνουν άλλοτε πρωινές και άλλοτε βραδινές βάρδιες και γι' αυτό αντιμετωπίζουν χρόνιο αποσυγχρονισμό του εσωτερικού τους ρολογιού από το ηλιακό ημερονύκτιο, έδειξαν, μεταξύ άλλων, αυξημένο κίνδυνο ανάπτυξης μεταβολικών, καρδιαγγειακών και γαστρεντερικών ασθενειών. Αλλά οι εργάτες που κάνουν βάρδιες, επιπλέον, δεν κοιμούνται αρκετά, δεν τρέφονται σωστά και δε γυμνάζονται αρκετά, με αποτέλεσμα να μη μπορεί να απομονωθεί η επίδραση του αποσυγχρονισμού των ρολογιών. Οι έρευνες με ποντίκια έδωσαν αδιαμφισβήτητες αποδείξεις στηριγμένες σε διαφορές στο γονιδίωμα, επιτρέποντας η έρευνα για τους κιρκαδικούς ρυθμούς να περάσει σε νέα εποχή, που επιτρέπει πιο σίγουρα συμπεράσματα.
Οι έρευνες που πραγματοποιήθηκαν ως τώρα για τα περιφερειακά βιολογικά ρολόγια δείχνουν ότι ίσως έχουν πολύ διαφορετικούς ρόλους. Μάλιστα, στις περιπτώσεις του συκωτιού και του παγκρέατος ρυθμίζουν αντίθετες φυσιολογικές διεργασίες (αύξηση ή μείωση του σακχάρου στο αίμα). Ωστόσο, όταν είναι ολοκληρωμένα σε ένα λειτουργικό σύστημα, αυτά τα επιμέρους ρολόγια συγχρονίζονται με ακρίβεια ώστε να διατηρούν την ομοιόσταση του οργανισμού, δηλαδή να τον προμηθεύουν με σχετικά σταθερά επίπεδα κρίσιμης σημασίας μορίων, παρά τις έντονα μεταβαλλόμενες συνθήκες του περιβάλλοντος. Το κεντρικό βιολογικό ρολόι μπορεί να θεωρηθεί ως ο μαέστρος μιας ορχήστρας που φροντίζει να συντονίζονται τα όργανα μεταξύ τους και με το περιβάλλον, βελτιστοποιώντας την απόδοση του όλου συστήματος.
Ειδικότερα για το θέμα της παχυσαρκίας, έρευνα με ποντίκια το 2009 έδειξε ότι εκείνα που τρέφονταν με υψηλής θερμιδικής αξίας τροφή κατά τη διάρκεια της ημέρας (που είναι η περίοδος ύπνου για τα ποντίκια) πάχαιναν περισσότερο από τα ποντίκια που τρέφονταν με ίδιας θερμιδικής αξίας τροφή κατά τη διάρκεια της νύχτας (περίοδος εγρήγορσης). Αλλη μελέτη έδειξε ότι επιπλέον ο περιορισμός της λήψης τροφής μόνο στη διάρκεια ενός οχταώρου, κατά τη φυσιολογική περίοδο διατροφής (νύχτα), είχε αποτέλεσμα να μην προκληθεί παχυσαρκία ή άλλη μεταβολική δυσλειτουργία στα ποντίκια, παρά τη μεγάλη ποσότητα θερμίδων που λάμβαναν. Ισως αυτά τα ευρήματα να αποδειχτούν ιδιαίτερα χρήσιμα στους ανθρώπους που πάσχουν από το σύνδρομο των βραδινών επιδρομών στο ψυγείο...

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: Scientific American