40

ÂWIAT NAUKI

Zaktualizowane ze Âwiata Nauki numer 11/2002

N

ie˝yjàcy ju˝ biopsycholog John Gibbon
nazwa∏ czas „pierwotnym sk∏adnikiem”:
czymÊ odczuwanym przez wszystkie orga-
nizmy od poczàtków istnienia ˝ycia. Pory
otwierania si´ kwiatów wilca i odlotu bocia-
nów, a tak˝e etapy cyklu rozwojowego ka˝-

dego gatunku, od skromnej pleÊni po nas samych, wy-
znaczone sà w czasie. Zegary biologiczne ludzi odliczajà
sekundy, minuty, godziny, dni, miesiàce i lata. Rzàdzà
u∏amkami sekundy, potrzebnymi na wykonanie serwisu
tenisowego, odpowiadajà za nasze z∏e samopoczucie
na skutek szybkiej zmiany stref czasowych i comie-
si´czne wahania poziomu hormonów w cyklu menstru-
acyjnym, a tak˝e za depresj´ podczas zimy. Komórkowe
chronometry mogà nawet decydowaç o Êmierci. Zegar
tyka, ˝ycie przemija, a˝ wreszcie nasz czas si´ koƒczy
i umieramy.

Czasomierze biologiczne mogà byç tak ró˝ne jak stope-

ry i zegary s∏oneczne. Jedne sà dok∏adne, lecz nie dajà
si´ regulowaç, inne mniej precyzyjne, ale zgodnie z naszà
wolà mo˝na je dostrajaç do okreÊlonych potrzeb. Niektó-
re sà nakr´cane przez cykle planetarne, inne przez mole-
kularne. Sà absolutnie niezb´dne do prawid∏owego funk-
cjonowania naszego umys∏u i cia∏a. Mogà ponadto pomóc
w zrozumieniu procesów starzenia si´ i mechanizmów
powstawania wielu chorób. Zaburzenia w pracy zega-
rów biologicznych powodujà m.in. rozwój nowotworów,
chorob´ Parkinsona, zespó∏ nadpobudliwoÊci ruchowej
z deficytem uwagi (ADHD) i depresj´ sezonowà.

Ich dzia∏anie nie jest jeszcze do koƒca poznane. Neu-

rolodzy i inni badacze zegarów biologicznych zacz´li
jednak odpowiadaç na najbardziej narzucajàce si´ pyta-
nia, zwiàzane z doÊwiadczaniem przez cz∏owieka czwar-
tego wymiaru. Dlaczego na przyk∏ad czas si´ d∏u˝y, gdy

WYDANIE SPECJALNE

ÂWIAT NAUKI

41

Czas

˝ycia

ZEGARY BIOLOGICZNE ODLICZAJÑ GODZINY, MIESIÑCE I LATA,

SPRAWIAJÑC, ˚E NASZ ORGANIZM FUNKCJONUJE

WED¸UG OKREÂLONEGO HARMONOGRAMU

KAREN WRIGHT

na coÊ czekamy, a p∏ynie szybko, gdy si´
dobrze bawimy? Z jakiego powodu za-
rwanie nocy mo˝e wywo∏aç niestraw-
noÊç, a ludzie ˝yjà d∏u˝ej od chomików?
Rozwiàzanie tych i istotniejszych pro-
blemów zwiàzanych z dzia∏aniem zega-
rów biologicznych to tylko – nomen
omen – kwestia czasu.

Psychoaktywny stoper

JE

ÂLI ARTYKU¸ TEN

ci´ zaciekawi, czas

sp´dzony na jego lekturze minie ci szyb-
ko, natomiast zacznie si´ wlec, jeÊli
czytajàc, b´dziesz si´ nudziç. To specy-
ficzna cecha znajdujàcego si´ w móz-
gu „stopera”, tzw. zegara wewn´trzne-

go, mierzàcego jego odcinki od sekund
do godzin. To on pomaga obliczyç, jak
pr´dko trzeba biec, by z∏apaç pi∏k´, jak
szybko klaskaç w rytm ulubionej piosen-
ki, lub oceniç, ile jeszcze mo˝emy wy-
legiwaç si´ w ∏ó˝ku po zadzwonieniu
budzika.

Odmierzanie odcinków czasu urucha-

mia wy˝sze czynnoÊci poznawcze kory
mózgu, obszaru odpowiedzialnego za
percepcj´, pami´ç i ÊwiadomoÊç. Kiedy
na przyk∏ad podje˝d˝amy do ˝ó∏tego
Êwiat∏a na skrzy˝owaniu, oceniamy, jak
d∏ugo si´ ono pali i porównujemy z za-
pami´tanym przeci´tnym okresem trwa-
nia takiego sygna∏u. „Mo˝emy wtedy
zdecydowaç, czy hamowaç, czy jechaç
dalej” – mówi Stephen M. Rao z Medi-
cal College of Wisconsin.

Prowadzàc badania za pomocà czyn-

noÊciowego rezonansu magnetycznego
(fMRI), Rao wykry∏, które oÊrodki móz-
gu biorà udzia∏ w ka˝dym z tych eta-
pów. Uczestnicy eksperymentu s∏ucha-
li dwóch par dêwi´ków i musieli oceniç,
mi´dzy którymi by∏ d∏u˝szy odst´p. Ak-
tywne cz´Êci mózgu zu˝ywajà wi´cej tle-
nu ni˝ pozosta∏e, a dzi´ki fMRI mo˝na
mierzyç jego pobór co 250 ms. „Gdy oce-

niamy d∏ugoÊç odcinka czasu, jako
pierwsze aktywowane sà zwoje podsta-
wy” – twierdzi Rao.

Od dawna struktury te wiàzano z wy-

konywaniem ruchów automatycznych,
lecz ostatnio awansowa∏y równie˝ do
rangi g∏ównego obiektu badaƒ nad
mechanizmem mierzenia czasu. Prà˝-
kowie (jeden z obszarów zwojów pod-
stawy) zawiera tzw. neurony kolcowe
– komórki nerwowe odbierajàce sygna-
∏y z wyjàtkowo wielu innych obszarów
mózgu. Stosunkowo d∏ugie dendryty
tych neuronów sà pokryte 10–30 tys.
kolców (wypustek) dendrytycznych,
a ka˝da otrzymuje informacj´ z innej

komórki nerwowej w innym miejscu
mózgu. Je˝eli porównaç mózg do sieci,
to neurony kolcowe prà˝kowia sà pod-
stawowymi w´z∏ami. „To jedno z nielicz-
nych miejsc w mózgu, gdzie z ka˝dym
neuronem kontaktujà si´ tysiàce innych”
– twierdzi Warren H. Meck z Duke
University.

Komórki nerwowe prà˝kowia to naj-

wa˝niejszy morfologiczny element teo-
rii mierzenia odcinków czasu, którà
Meck opracowywa∏ przez ostatnie 10 lat
wraz z Gibbonem, zatrudnionym a˝ do
Êmierci w 2002 roku w Columbia Uni-
versity. Badacze przyj´li za∏o˝enie, ˝e
w korze mózgu znajduje si´ zespó∏ neu-
ronów-oscylatorów. Neurony te generu-
jà potencja∏y czynnoÊciowe z ró˝nà cz´-
stoÊcià i niezale˝nie od swych sàsiadów.
RzeczywiÊcie wiele komórek korowych
robi to 10–40 razy na sekund´, bez ˝ad-
nych bodêców z zewnàtrz. „Wszystkie
oscylujà we w∏asnym rytmie – mówi
Meck. – Jak t∏um gadajàcych ludzi. ˚a-
den nie jest zsynchronizowany z innymi”.

Za pomocà milionów wypustek akso-

nalnych oscylujàce komórki korowe ∏à-
czà si´ z prà˝kowiem, dzi´ki czemu mo-
˝e ono „pods∏uchiwaç” wszystkie te

niezale˝ne od siebie „rozmowy”. Przy-
puÊçmy, ˝e na neurony korowe zadzia-
∏a za poÊrednictwem odpowiedniego na-
rzàdu zmys∏u jakiÊ bodziec, który zwró-
ci∏ naszà uwag´, na przyk∏ad ˝ó∏te
Êwiat∏o. Pobudzenie to spowoduje ich
jednoczesnà odpowiedê – pojawienie si´
po oko∏o 300 ms iglicy potencja∏u czyn-
noÊciowego; nast´pnie neurony wzna-
wiajà swoje indywidualne, niezsynchro-
nizowane oscylacje.

Poniewa˝ jednak rozpocz´∏y je rów-

noczeÊnie, ich aktywnoÊç tworzy teraz
swoisty, powtarzalny wzorzec. Odbiera-
jà go neurony kolcowe, co pozwala im
na odmierzanie up∏ywu czasu. Pod
koniec okreÊlonego odcinka – gdy na
przyk∏ad ˝ó∏te Êwiat∏o zmienia si´
na czerwone – znajdujàca si´ w zwo-
jach podstawy istota czarna wysy∏a do
prà˝kowia sygna∏ wywo∏ujàcy uwolnie-
nie dawki neuroprzekaênika dopaminy.
Powoduje ona natychmiastowe zapa-
mi´tanie schematu oscylacji komórek
korowych w tym momencie przez neu-
rony kolcowe. „Ka˝dy odcinek czasu,
niezale˝nie od d∏ugoÊci, ma swojà uni-
katowà sygnatur´” – twierdzi Meck.

Gdy komórka prà˝kowia zapisze wzo-

rzec charakteryzujàcy d∏ugoÊç trwania
danego zjawiska, jego ponowne poja-
wienie si´ spowoduje nie tylko opisanà
powy˝ej reakcj´ komórek korowych, ale
tak˝e uwolnienie dopaminy na jego po-
czàtku [ilustracja w ramce na górze na
sàsiedniej stronie]. Uwolnienie dopami-
ny sygnalizuje neuronom prà˝kowia, ˝e
majà rozpoczàç Êledzenie aktywnoÊci
neuronów kory. Dzi´ki temu neurony
kolcowe po odebraniu z kory impulsów
o wzorcu oznaczajàcym koniec zdarze-
nia wyÊlà sygna∏ do innego obszaru
mózgu zwanego wzgórzem. Ono z ko-
lei skontaktuje si´ z korà mózgu i uru-
chomione zostanà wy˝sze funkcje po-
znawcze, jak pami´ç i podejmowanie
decyzji. Mechanizm odmierzania czasu
dzia∏a zatem w p´tli wiodàcej od kory
mózgu przez prà˝kowie do wzgórza
i z powrotem do kory.

Je˝eli Meck si´ nie myli i dopamina

rzeczywiÊcie odgrywa w tym procesie
istotnà rol´, to choroby i leki wp∏ywa-
jàce na jej poziom powinny powodowaç
tak˝e zak∏ócenia w funkcjonowaniu
owego uk∏adu. Dotychczasowe odkry-
cia Mecka i innych badaczy to potwier-
dzajà. Na przyk∏ad w mózgach pa-
cjentów z nieleczonà chorobà Parkinso-
na uwalniana jest w prà˝kowiu znacz-

42

ÂWIAT NAUKI

M¸ODYM BYå

TOM DRAPER DESIGN; NASA/NSSDC (

Ziemia i

K

si´˝yc

);

CORBIS

(bejsbolowy miotacz i

muzyk grajàcy na r

ogu

); TOMMY FL

YNN

Photonica

(budzik

);

CORBIS

(Êniadanie

); JOHN TERRENCE TURNER

Getty Images

(autostrada

);

ROBER

T DAL

Y

Stone Getty Images

(obiad

); ERICA McCONNELL

Getty Images

(mycie z´bów

); GEOFF MANASSE

A

u

rora

(czytajàce dziecko

); Y

OSHINORI W

A

T

ABE

Photonica

(nocne niebo

)

n

Znajdujàcy si´ w mózgu „stoper” mo˝e odliczaç sekundy, minuty i godziny.

n

Inny mózgowy czasomierz, bardziej zegar ni˝ stoper, synchronizuje wiele funkcji

organizmu z cyklem dni i nocy. Mo˝e równie˝ przyczyniaç si´ do pojawiania si´
depresji sezonowej.

n

Molekularna klepsydra, ograniczajàca liczb´ podzia∏ów komórkowych,

wp∏ywa zapewne na d∏ugoÊç ˝ycia.

Przeglàd /

Rytmy ˝ycia

Ka˝dy odcinek czasu, niezale˝nie od d∏ugoÊci,

ma swój

niepowtarzalny wzorzec.

WYDANIE SPECJALNE

ÂWIAT NAUKI

43

TERESE WINSL

OW

NAUKOWCY ODKRYLI, ˝e w ludzkim mózgu dzia∏ajà dwa neuronowe czasomierze: zegar wewn´trzny odcinków czasu trwa-
jàcych nie d∏u˝ej ni˝ kilka godzin (na górze) i zegar oko∏odobowy, dzi´ki któremu pewne procesy w organizmie przebiegajà
zgodnie z cyklem 24-godzinnym (na dole).

ZEGAR OKO¸ODOBOWY

Dobowe cykle Êwiat∏a i ciemnoÊci sterujà
wieloma procesami fizjologicznymi. Mózg
otrzymuje informacje o nat´˝eniu i okresie
trwania Êwiat∏a od neuronów zwojowych
siatkówki. Bodêce Êwietlne sà prawdopo-
dobnie odbierane dzi´ki znajdujàcemu si´
w cz´Êci z nich barwnikowi, melanopsynie.
Sygna∏y te trafiajà do jàdra nadskrzy˝owa-
niowego (SCN), które z kolei przesy∏a je do
oÊrodków sterujàcych cyklami oko∏odobowy-
mi. Najlepiej poznano proces prowadzàcy
do wydzielania przez szyszynk´ melatoniny
(schemat). Pod wp∏ywem Êwiat∏a dzienne-
go SCN wysy∏a impulsy (czerwona strza∏ka),
które powodujà, ˝e inny rejon mózgu, jà-
dro przykomorowe, nie emituje sygna∏u pro-
wadzàcego do wydzielania tego hormonu.
Po zapadni´ciu zmroku jàdro nadskrzy˝owa-
niowe przestaje jednak hamowaç jàdro przy-
komorowe, co umo˝liwia mu wydanie roz-
kazu „wydzielaç melatonin´”, w´drujàcego
do szyszynki przez neurony górnej cz´Êci
rdzenia kr´gowego (zielone strza∏ki).

Komórki
nerwowe
kory

Czas minà∏!

Prà˝kowie

Istota czarna

Neuron

zwojowy

Siatkówka

Melatonina

PO ZAPRZESTANIU

HAMOWANIA

Szyszynka

Szyszynka

Sygna∏ wysy∏any

po wy∏àczeniu

przez SCN hamowania

Âwiat∏o

Jàdro

nadskrzy˝owaniowe

Jàdro

przykomorowe

Krwiobieg

Nerw
wzrokowy

Neuron
kolcowy

Wzgórze

SYGNA¸ POCZÑTKU

SYGNA¸
KO¡CA

b

c

d

a

ZEGAR WEWN¢TRZNY

Wed∏ug pewnego modelu poczàtek wydarze-
nia trwajàcego przez znany nam okres (jak
zapalenie si´ ˝ó∏tego Êwiat∏a na skrzy˝owaniu)
wywo∏uje w mózgu dwie reakcje, które w∏àcza-
jà miernik odcinków czasu. Cz´Êç komórek ko-
rowych, dotychczas niezale˝nie generujàcych
potencja∏y czynnoÊciowe (a), chwilowo zaczy-
na dzia∏aç jednoczeÊnie (b i zielone strza∏ki
w mózgu), co powoduje, ˝e neurony istoty czar-
nej wysy∏ajà impuls powodujàcy wydzielanie
neuroprzekaênika dopaminy (fioletowe strza∏ki).
Oba sygna∏y docierajà do neuronów kolcowych
(c), które zapisujà impulsy p∏ynàce z komórek
korowych, po tym jak zaczynajà one z powro-
tem oscylowaç zgodnie z poprzednimi indywi-
dualnymi rytmami. Poniewa˝ na poczàtku zda-
rzenia sà one zsynchronizowane, powstaje
w rezultacie niepowtarzalny wzorzec danego
odcinka czasu (d). Po jego zakoƒczeniu prà˝ko-
wie wysy∏a przez inne cz´Êci mózgu sygna∏
„stop” (czerwone strza∏ki) do kory odpowie-
dzialnej za podejmowanie decyzji.

ZEGARY W MÓZGU

nie mniejsza iloÊç dopaminy i ich ze-
gary biologiczne si´ póênià – chorzy
sà przekonani, ˝e zdarzenia trwajà
krócej ni˝ w rzeczywistoÊci. Podob-
ny efekt daje marihuana. Natomiast
takie narkotyki, jak kokaina i amfeta-
mina powodujà zwi´kszone wydziela-
nie dopaminy, majà zatem dzia∏anie
odwrotne: przyÊpieszajà bieg zegara,
tak wi´c w subiektywnym odczuciu czas
ulega rozciàgni´ciu.

Takie samo dzia∏anie wykazujà adre-

nalina i inne hormony stresu, dlatego
w nieprzyjemnych sytuacjach ka˝da se-
kunda wydaje si´ godzinà. W stanach
g∏´bokiego skupienia lub skrajnie wiel-

kich emocji ten mechanizm mo˝e zostaç
zatrzymany lub rozstrojony, a wówczas
subiektywny czas stanie w miejscu albo
zupe∏nie przestanie istnieç. Poniewa˝
proces jego odmierzania inicjowany
jest nag∏ym wzrostem aktywnoÊci elek-
trycznej mózgu spowodowanym zwró-
ceniem na coÊ uwagi, Meck twierdzi,
˝e tak˝e pacjenci cierpiàcy na ADHD
mogà mieç problemy z prawid∏owà oce-
nà d∏ugoÊci odcinków up∏ywajàcego
czasu.

Mo˝na te˝ sprawiç, by znajdujàcy si´

w naszym mózgu czasomierz praco-
wa∏ z wi´kszà precyzjà. Muzycy i spor-
towcy wiedzà, ˝e trening polepsza ich
poczucie czasu. Mo˝na równie˝ stoso-
waç triki, na przyk∏ad tzw. liczenie chro-
nometryczne (raz – raz, dwa, trzy; dwa
– raz, dwa, trzy...). Rao zabrania liczyç
uczestnikom swych badaƒ, poniewa˝
mog∏oby to pobudziç tak˝e oÊrodki mo-
wy. Liczenie jest jednak bardzo skutecz-
ne – do tego stopnia, ˝e tych, którzy nie
stosujà si´ do zakazu, Rao demaskuje na
podstawie dok∏adnoÊci ich szacunków.

Somatyczny zegar s∏oneczny

JEDN

Ñ Z ZALET

zegara wewn´trznego jest

jego elastycznoÊç. Da si´ go dowolnie
uruchamiaç i zatrzymywaç lub ca∏ko-
wicie ignorowaç. Mo˝e dzia∏aç w pod-
ÊwiadomoÊci bàdê podlegaç Êwiadomej
kontroli. Nie wygra jednak w ˝adnych
zawodach na dok∏adnoÊç, gdy˝ waha
si´ ona od 5 do 60%. Nie najlepiej pra-
cuje, je˝eli cz∏owiek jest rozkojarzony
lub spi´ty. A b∏´dy w ocenie poszcze-

gólnych odcinków czasu sà wprost pro-
porcjonalne do d∏ugoÊci ich trwania.
„I w∏aÊnie dlatego nosimy zegarki” –
mówi Rao.

Na szcz´Êcie nieustannie dzia∏a w nas

daleko precyzyjniejszy czasomierz: zegar
oko∏odobowy, czyli cirkadialny (od ∏ac.
circa – oko∏o i dies – dzieƒ), który do-
straja nasze organizmy do cykli Êwiat∏a
i ciemnoÊci b´dàcych skutkiem obrotu
Ziemi wokó∏ w∏asnej osi. Pozwala na za-
programowanie codziennego cyklu spa-
nia w nocy i budzenia si´ rano. Jego
wp∏yw si´ga jednak du˝o g∏´biej. Cie-
p∏ota cia∏a jest z regu∏y najwy˝sza póê-
nym popo∏udniem lub wczesnym wie-

czorem, a najni˝sza kilka godzin przed
przebudzeniem. CiÊnienie krwi podno-
si si´ zazwyczaj mi´dzy 6 a 7 rano. Po-
ziom kortyzolu, hormonu stresu, jest ra-
no 10–20 razy wy˝szy ni˝ wieczorem.
Funkcjonowanie uk∏adów wydalnicze-
go i trawiennego jest z regu∏y hamowa-
ne w nocy i przyÊpieszane rano.

Dzia∏anie rytmu oko∏odobowego jest

bardziej podobne do funkcjonowania
zwyk∏ego zegara ni˝ stopera, poniewa˝
nie wymaga bodêca z zewnàtrz. Badania
ochotników przebywajàcych przez pe-
wien czas w jaskiniach wykaza∏y, ˝e
rytm ten utrzymuje si´ nawet mimo bra-
ku Êwiat∏a dziennego i jakichkolwiek za-
j´ç wymagajàcych okreÊlonej cykliczno-
Êci. Podlegajà mu ponadto wszystkie
cz´Êci cia∏a. Ludzkie komórki hodowa-
ne w sta∏ym oÊwietleniu na szalce Pe-
triego utrzymujà 24-godzinny rytm ak-
tywnoÊci genów, wydzielania hormonów
i wytwarzania energii. Cykle te sà tak
silnie utrwalone, ˝e ulegajà przesuni´-
ciom nie wi´kszym ni˝ o 1%, czyli zale-
dwie o kilka minut dziennie.

Je˝eli nawet Êwiat∏o nie jest koniecz-

ne do utrzymywania cyklu oko∏odobo-
wego, to jest potrzebne do jego syn-
chronizacji. Neurolodzy zaczynajà ju˝
rozumieç, jak to si´ dzieje. Od daw-
na uwa˝ano, ˝e za funkcjonowanie
sterujàcego nim zegara odpowiedzial-
ne sà znajdujàce si´ w podwzgórzu
dwa zespo∏y komórek nerwowych,
ka˝dy z∏o˝ony z 10 tys. neuronów. Wie-
loletnie badania nad zwierz´tami wy-
kaza∏y, ˝e oÊrodki te, zwane jàdrami

nadskrzy˝owaniowymi (SCN – supra-
chiasmatic nucleus), kontrolujà dobo-
we zmiany ciÊnienia krwi, ciep∏oty cia-
∏a, poziomu aktywnoÊci i czujnoÊci.
SCN regulujà ponadto wydzielanie w
nocy przez szyszynk´ melatoniny – hor-
monu snu.

W 2002 roku dwie niezale˝ne grupy

badaczy odkry∏y, ˝e wyspecjalizowane
komórki siatkówki przekazujà informacj´
o nat´˝eniu Êwiat∏a do jàder nadskrzy-
˝owaniowych. Komórki te, b´dàce pod-
typem neuronów zwojowych, dzia∏ajà
ca∏kowicie niezale˝nie od czopków i pr´-
cików uczestniczàcych w tworzeniu ob-
razu i sà du˝o mniej czu∏e na nag∏e zmia-
ny nat´˝enia Êwiat∏a. Ta niska wra˝liwoÊç
jest przystosowaniem do cykli oko∏odobo-
wych. Nie by∏oby dobrze, gdyby zak∏ó-
ca∏o je obejrzenie pokazu sztucznych ogni
lub pójÊcie w dzieƒ do kina.

Nowe odkrycia spowodowa∏y jednak,

˝e rol´ jàder nadskrzy˝owaniowych
w cyklach oko∏odobowych nale˝a∏o roz-
patrzyç ponownie. Do niedawna sàdzo-
no, ˝e SCN w jakiÊ sposób koordynujà
zegary komórkowe ca∏ego cia∏a, ale
w po∏owie lat dziewi´çdziesiàtych ba-
dacze odkryli cztery istotne geny steru-
jàce cyklami oko∏odobowymi much, my-
szy i ludzi. Aktywne sà wsz´dzie, nie
tylko w SCN. „Geny te ulegajà ekspresji
dos∏ownie w ka˝dej tkance – twierdzi
Joseph Takahashi z Northwestern Uni-
versity. – Nie spodziewaliÊmy si´ tego”.

Równie˝ w 2002 roku badacze z

Harvard University wykazali, ˝e ekspre-
sja ponad tysiàca genów w sercu i wà-
trobie myszy zachodzi∏a wprawdzie
w cyklu 24-godzinnym, ale szczyt ich
aktywnoÊci w ka˝dym z tych narzàdów
przypada∏ na innà por´ doby. „Sà wsz´-
dzie – twierdzi Michael Menaker z Uni-
versity of Virginia. – Niektóre sà aktyw-
ne g∏ównie w nocy, inne rano, a jeszcze
inne w ciàgu dnia”.

Menaker udowodni∏ ostatnio, ˝e okre-

Êlony harmonogram podawania pokar-
mu mo˝e przesunàç faz´ cyklu oko∏o-
dobowego, przewa˝ajàc nad rytmem
narzucanym przez SCN, a dostosowa-
nym do naprzemiennych okresów Êwia-
t∏a i ciemnoÊci. Na przyk∏ad gdy szczu-
ry majàce uprzednio swobodny dost´p
do po˝ywienia zacz´to karmiç raz dzien-
nie, szczyt ekspresji genu zegarowego
w wàtrobie przesunà∏ si´ o 12 godzin,
natomiast ten sam gen w SCN pozosta-
wa∏ zsynchronizowany ze zmianami
dnia i nocy. To logiczne, ˝e rytm karmie-

44

ÂWIAT NAUKI

M¸ODYM BYå

Zaletà

zegara wewn´trznego

jest elastycznoÊç.

Mo˝na go dowolnie uruchamiaç i zatrzymywaç.

nia wp∏ywa na funkcjonowanie wàtroby,
skoro uczestniczy ona w procesach tra-
wienia. Badacze sàdzà, ˝e zegary oko∏o-
dobowe w pozosta∏ych tkankach i na-
rzàdach mogà reagowaç na inne bodêce
zewn´trzne – na przyk∏ad stres, trening
czy zmiany temperatury – pojawiajàce
si´ regularnie co 24 godziny.

Nikt nie dà˝y do podwa˝ania zna-

czenia jàder nadskrzy˝owaniowych. Ich
w∏adza nad rytmami sterujàcymi tempe-
raturà cia∏a, ciÊnieniem krwi oraz inny-
mi podstawowymi procesami i zjawiska-
mi fizjologicznymi jest niezaprzeczalna.
Jednak ju˝ si´ nie uwa˝a, ˝e rzàdzà zega-
rami peryferyjnymi ˝elaznà r´kà. „Oscy-
latory w naszym mózgu i innych narzà-
dach mogà funkcjonowaç niezale˝nie od
siebie” – twierdzi Takahashi.

Odkrycie autonomii zegarów peryfe-

ryjnych pozwala na ∏atwiejsze zrozu-
mienie takich zjawisk, jak zaburzenia
pojawiajàce si´ po dalekiej podró˝y sa-
molotem. Podczas gdy zegar odmierza-

jàcy okreÊlone odcinki czasu mo˝e byç
dowolnie w∏àczany i wy∏àczany jak
stoper, dostosowanie cykli oko∏odobo-
wych do nag∏ej zmiany strefy czasowej
lub d∏ugoÊci dnia trwa niekiedy tygodnia-
mi. Nowy rytm Êwiat∏a i ciemnoÊci po-
woli przestawia zegar w SCN, ale inne
czasomierze mogà si´ do niego nie dosto-
sowaç. Cia∏o nie tylko nie nadà˝a w
ca∏oÊci, ale spóênia si´ w wielu miejscach
naraz i to w ka˝dym w inny sposób.

Stan taki nie trwa jednak wiecznie,

prawdopodobnie dlatego ˝e wszystkie
zegary w koƒcu znowu si´ synchroni-
zujà. Lecz pracownicy zmianowi, stali
bywalcy dyskotek i inne nocne marki
stojà przed powa˝niejszym chronodyle-
matem. Mogà prowadziç coÊ w rodza-
ju fizjologicznego podwójnego ˝ycia.
Nawet je˝eli majà okazj´ wyspaç si´
w ciàgu dnia, ich podstawowymi cykla-
mi ciàgle sterujà SCN, przez co najwa˝-
niejsze procesy zachodzàce w ich or-
ganizmach nadal sà w nocy „uÊpione”.

„Mo˝na wp∏ynàç na cykl snu i czuwa-
nia – twierdzi Alfred J. Lewy z Oregon
Health & Science University. – Nie uda
si´ to jednak z poziomem melatoniny
i kortyzolu ani z ciep∏otà cia∏a”.

Tymczasem pory posi∏ków i sta∏ych

zaj´ç mogà tak przestawiç ich zegary pe-
ryferyjne, ˝e b´dà one chodzi∏y niezale˝-
nie od normalnego cyklu spania i czu-
wania oraz faz Êwiat∏a i ciemnoÊci.
Organizmy tych ludzi znajdujà si´ za-
tem jakby w kilku strefach czasowych
jednoczeÊnie. Nic wi´c dziwnego, ˝e pra-
cujàcy w systemie zmianowym cz´Êciej
ni˝ inni chorujà na serce, cierpià na do-
legliwoÊci uk∏adu pokarmowego i oczy-
wiÊcie majà problemy ze snem.

Zegar na ka˝dà por´ roku

PODRÓ

˚ ODRZUTOWCEM

i praca w syste-

mie zmianowym powodujà gwa∏towne
rozsynchronizowanie cyklu oko∏odobo-
wego (Êwiat∏a i ciemnoÊci) z rytmami
snu i aktywnoÊci. To samo mo˝e si´ jed-

WYDANIE SPECJALNE

ÂWIAT NAUKI

45

TERESE WINSL

OW

CYKL OKO¸ODOBOWY

ZEGAR oko∏odobowy steruje
cyklicznym przebiegiem wie-
lu procesów fizjologicznych.
Na schemacie ukazano do-
bowy rytm ˝ycia osoby, któ-
ra wstaje wczeÊnie rano, je
lunch oko∏o po∏udnia i Êpi
w nocy. Choç zegary oko∏o-
dobowe sà na ogó∏ synchro-
nizowane przez cykle Êwiat∏a
i ciemnoÊci, na ich dzia∏anie
mogà tak˝e wp∏ywaç inne
czynniki – temperatura oto-
czenia, czas posi∏ków, stres
i çwiczenia fizyczne.

èRÓD¸O: The Body Clock Guide to Better Health. Michael Smolensky i Lynne Lamberg; Henry Holt and Company, 2000.

24:00

PÓ¸NOC

12:00

PO¸UDNIE

2:00

Najg∏´bszy sen

4:30

Najni˝sza
ciep∏ota cia∏a

6:00

18:00

6:45

Gwa∏towny wzrost

ciÊnienia krwi

7:30

Zahamowanie

wydzielania melatoniny

10:00

Zwi´kszona pobudliwoÊç

22:30

Zahamowanie

perystaltyki jelit

21:00

Rozpocz´cie

wydzielania melatoniny

19:00

Najwy˝sza

ciep∏ota cia∏a

18:30

Najwy˝sze

ciÊnienie krwi

17:00

Najwi´ksza

wydajnoÊç

sercowo-naczyniowa

i si∏a mi´Êni

15:30

Najszybszy refleks

14:30

Najlepsza koordynacja

ruchów

8:30

Wzmo˝enie

perystaltyki jelit

nak wydarzyç, chocia˝ nie a˝ tak gwa∏-
townie, gdy zmieniajà si´ pory roku. Ba-
dacze wskazujà, ˝e choç k∏adziemy si´
do ∏ó˝ka o ró˝nych porach, zwykle wsta-
jemy mniej wi´cej o tej samej godzinie,
gdy˝ zmuszajà nas do tego rozmaite obo-
wiàzki. W konsekwencji w zimie na pó∏-
nocy wielu ludzi wstaje 2–3 godziny
przed wschodem s∏oƒca. Ich cykl snu
i czuwania jest wi´c przesuni´ty o kil-
ka stref czasowych w stosunku do na-
turalnego rytmu Êwiat∏a i ciemnoÊci.

Rozbie˝noÊç mi´dzy d∏ugoÊcià dnia

a dobowym wzorcem aktywnoÊci mo-
˝e byç przyczynà wystàpienia choroby
afektywnej sezonowej, zwanej te˝ depre-
sjà sezonowà (SAD – seasonal affective
disorder). Cierpi na nià co dwudziesty
Amerykanin, a jej objawami sà tycie,
apatia i zm´czenie pojawiajàce si´ mi´-
dzy paêdziernikiem a marcem. Scho-
rzenie to jest 10 razy cz´stsze na pó∏no-
cy ni˝ na po∏udniu USA. Depresja
sezonowa zwiàzana jest wprawdzie z po-
rami roku, lecz powoduje jà prawdopo-
dobnie zak∏ócenie cyklu oko∏odobowe-
go. Wyniki badaƒ Lewy’ego Êwiadczà,

˝e chorzy wyleczyliby si´ z niej, gdyby
mogli wstawaç o naturalnym Êwicie.
W jego opinii SAD jest nie tyle choro-
bà, ile przejawem braku adaptacji orga-
nizmu do sezonowych zmian w cyklach
snu i czuwania. „Je˝eli dostroilibyÊmy
rozk∏ad naszych codziennych zaj´ç do
pór roku, nie zapadalibyÊmy na depre-
sj´ sezonowà. – twierdzi Lewy. – Sami
narobiliÊmy sobie k∏opotów, kiedy prze-
staliÊmy k∏aÊç si´ o zachodzie i wstawaç
o wschodzie s∏oƒca”.

Wspó∏czesne spo∏eczeƒstwa lekcewa-

˝à potrzeb´ dostosowywania si´ do ryt-
mów sezonowych po cz´Êci dlatego, ˝e
ludzie nale˝à do istot najmniej podat-
nych na wp∏yw pór roku. Wywo∏ywane
przez nie zjawiska, jak hibernacja, mi-
gracja, linienie, a szczególnie okres go-
dowy, decydujà o ˝yciu wielu zwierzàt
bez porównania silniej ni˝ SAD o na-
szym. Prawdopodobnie zegar oko∏odobo-
wy, regulowany przez zmiany d∏ugoÊci
dnia, kontroluje równie˝ rytmy sezonowe.
CiemnoÊç, wp∏ywajàca na funkcjonowa-
nie SCN i szyszynki, powoduje wzmo-
˝one wydzielanie melatoniny podczas

d∏ugich, zimowych nocy. „Chomiki po-
trafià odró˝niç dzieƒ 12-godzinny od
trwajàcego 12 godz. i 15 min, który po-
woduje uaktywnienie ich gruczo∏ów roz-
rodczych” – twierdzi Menaker.

Je˝eli rytmy sezonowe sà tak silne

u zwierzàt, a ludzie równie˝ majà odpo-
wiednie do tego „wyposa˝enie”, to dla-
czego u cz∏owieka one zanik∏y? „A cze-
mu pani sàdzi, ˝e kiedykolwiek u nas
wyst´powa∏y? – pyta Menaker. – Prze-
cie˝ wyewoluowaliÊmy w tropikach”.
PodkreÊla, ˝e zachowanie wielu zwie-
rzàt ˝yjàcych w rejonach tropikalnych
nie podlega wyraênym cyklom sezono-
wym. Nie jest to konieczne, bo na rów-
niku pory roku niewiele si´ ró˝nià. Wi´k-
szoÊç tych zwierzàt rozmna˝a si´ przez
ca∏y rok, poniewa˝ nie ma wi´kszego
znaczenia, kiedy przystàpià do godów.
Ludzie tak˝e zawsze sà gotowi do rozro-
du. A gdy nasi przodkowie zacz´li przed
tysiàcami lat uniezale˝niaç si´ od wa-
runków Êrodowiska, wp∏yw pór roku na
ewolucj´ cz∏owieka prawdopodobnie
tym bardziej straci∏ na znaczeniu.

Jednak nie do koƒca uda∏o si´ nam

uwolniç od cyklicznoÊci. Kobiety jajecz-
kujà raz na miesiàc. Zegar sterujàcy
owulacjà i menstruacjà to dobrze po-
znane biochemiczne sprz´˝enie zwrot-
ne, na które mo˝e wp∏ynàç terapia hor-
monalna, çwiczenia fizyczne, a nawet
obecnoÊç innych miesiàczkujàcych ko-
biet. Nadal jednak nie jest jasne, dlacze-
go cykl ten ma w∏aÊnie takà, a nie innà
d∏ugoÊç. Fakt, ˝e trwa on tyle samo, ile
cykl ksi´˝ycowy, to zbieg okolicznoÊci,
którego naukowcy w∏aÊciwie nie bada-
li, a tym bardziej nie wyjaÊnili. Nie od-
kryto jednoznacznego wp∏ywu Êwiat∏a
ani si∏y przyciàgania ksi´˝yca na cykl
p∏ciowy kobiet. Pozostaje wi´c tajemni-
cà, a wi´kszà od niej jest zapewne tyl-
ko zagadka d∏ugoÊci naszego ˝ycia.

MÊciwy czas

WI

¢KSZOÂå LUDZI

za najcz´stsze przy-

czyny naturalnej Êmierci uwa˝a scho-
rzenia towarzyszàce starzeniu si´ – no-
wotwory, choroby serca czy chorob´
Alzheimera, by wymieniç kilka – tak jak-
by brak tych chorób móg∏ zapewniç nie-
ÊmiertelnoÊç. Biolodzy jednak majà in-
ne zdanie na ten temat.

Mieszkaƒcy krajów rozwini´tych ˝y-

jà przeci´tnie ponad 70 lat, natomiast
doros∏e j´tki zwykle kilka godzin. Bio-
lodzy dopiero teraz zaczynajà si´ zasta-
nawiaç, dlaczego d∏ugoÊç ˝ycia ró˝nych

46

ÂWIAT NAUKI

M¸ODYM BYå

TOM DRAPER DESIGN; FRANS L

ANTING

Minden P

ictur

es (∏ab´dzie i

motyle)

; GEORGE McCAR

THY

Corbis (myszy)

;

MARK JONES

Minden P

ictur

es (pingwin)

; NAJL

AH FEANNY

(terapia Êwietlna)

˚YCIE wi´kszoÊci zwierzàt toczy si´ w rytmie
pór roku – migrujà, zimujà, odbywajà gody
i liniejà w okreÊlonym czasie. Na przyk∏ad jà-
dra chomików powi´kszajà si´ czterokrotnie
wraz z nadejÊciem okresu godowego. Cykle
te sà trwale zakodowane: sus∏y w niewoli za-
padajà w zimowy sen, mimo ˝e przebywajà
w sta∏ej temperaturze oraz niezmiennym
rytmie Êwiat∏a i ciemnoÊci.

Ptaki trzymane w niezmiennych warunkach

laboratoryjnych tak˝e wykazujà pobudzenie
w czasie migracji oraz pierzà si´ i ot∏uszcza-
jà w cyklu rocznym.

Jedynym Êladem sezonowoÊci u ludzi mo-

˝e byç depresja sezonowa, na którà zapadajà
niektóre osoby w zimie. Mo˝na jej zapobie-
gaç, Êpiàc a˝ do wschodu s∏oƒca lub stosujàc
terapi´ Êwietlnà.

ZEGARY SEZONOWE

gatunków jest tak odmienna. Je˝eli dni
˝ycia sà policzone, to co je odlicza?

Uczestnicy niedawnego spotkania

w National Institute on Aging podwa-
˝yli wiele istotnych za∏o˝eƒ dotyczàcych
czynników, które wp∏ywajà na d∏ugoÊç
˝ycia. Pod∏o˝em nie mogà byç wy∏àcznie
ro˝nice mi´dzygatunkowe. Na przyk∏ad
robotnice pszczo∏y miodnej ˝yjà tylko
kilka miesi´cy, natomiast królowe kilka
lat. Geny sà jednak wa˝ne: w przypad-
ku myszy mutacja w jednym z nich mo-
˝e spowodowaç, ˝e gryzonie te b´dà ˝y-
∏y nawet o po∏ow´ d∏u˝ej ni˝ zwykle.
Szybkie tempo przemiany materii zda-
je si´ skracaç ˝ycie, ale wiele ptaków
˝yje d∏u˝ej od ssaków tej samej wielko-
Êci, choç ma od nich wy˝szy poziom me-
tabolizmu. A czas trwania ˝ycia du˝ych
zwierzàt o powolnym tempie przemiany
materii niekoniecznie jest d∏u˝szy ni˝
ma∏ych. Papugi ˝yjà mniej wi´cej tak
d∏ugo jak ludzie. Du˝e psy z regu∏y ˝yjà
krócej od ma∏ych.

Naukowcy poszukujàcy czynników

wp∏ywajàcych na d∏ugoÊç ˝ycia zajmo-
wali si´ g∏ównie procesami zachodzà-
cymi na poziomie komórki, a nie ca∏ego
organizmu. Wyniki dotychczasowych
badaƒ Êwiadczà, ˝e najwa˝niejszym me-
chanizmem odliczajàcym nasze dni jest
zegar mitotyczny. Kontroluje on proce-
sy mitozy, podczas których z jednej ko-
mórki powstajà dwie nowe. Zegar ten
mo˝na porównaç do klepsydry, w któ-
rej ka˝de ziarnko piasku odzwierciedla
jeden podzia∏ komórkowy. Zarówno licz-
ba ziaren piasku w klepsydrze, jak i po-
dzia∏ów normalnych komórek ludzkich
jest skoƒczona. W hodowli dzielà si´
60–100 razy. „Nagle po prostu przesta-
jà si´ mno˝yç. – mówi John Sedivy z
Brown University. – Oddychajà i rusza-
jà si´, ale ju˝ si´ nie dzielà”.

Komórki w kulturze osiàgajà zwykle

ten stan, zwany starzeniem replika-
cyjnym (senescencjà), po kilku miesià-
cach. Na szcz´Êcie wi´kszoÊç komórek
w ludzkim ciele dzieli si´ du˝o wolniej,
chocia˝ w koƒcu, zapewne po oko∏o
70 latach, one tak˝e przechodzà na za-
s∏u˝onà emerytur´. „Komórki nie od-
mierzajà czasu, lecz liczà swoje podzia-
∏y” – twierdzi Sedivy.

Badacz ten doniós∏ w 1997 roku, ˝e

mutacja jednego z genów mo˝e spowo-
dowaç wzrost liczby cykli podzia∏owych
w ludzkich fibroblastach o 20–30. Gen
ten koduje bia∏ko p21, które odpowia-
da za zatrzymanie cyklu po wykryciu

uszkodzeƒ DNA. Innà przyczynà starze-
nia replikacyjnego jest skracanie si´ za-
koƒczeƒ chromosomów – telomerów.
Zawierajà one tysiàce powtórzeƒ sze-
Êciozasadowej sekwencji DNA, nieko-
dujàcej ˝adnego znanego bia∏ka. Przy
ka˝dym podziale komórkowym ich cz´Êç
zostaje bezpowrotnie utracona. Telome-
ry w ludzkich komórkach zarodkowych
sk∏adajà si´ z 18–20 tys. zasad, w ko-
mórkach starych replikacyjnie – zaled-
wie z 6–8 tys.

Biolodzy przypuszczajà, ˝e komórki

przechodzà w stan senescencji, gdy d∏u-
goÊç telomerów spadnie poni˝ej pew-
nej okreÊlonej granicy. Titia de Lange

z Rockefeller University zaproponowa-
∏a ostatnio nowe wyt∏umaczenie tego
zjawiska. W zdrowych komórkach koƒ-
cówki telomerów, b´dàce pojedynczy-
mi niçmi DNA (a nie podwójnymi jak
reszta chromosomu) i z∏o˝one z 100–
–200 zasad, sà zawini´te do wn´trza
chromatyd. Za takie ukrycie owych ni-
ci odpowiada kilkanaÊcie wyspecjalizo-
wanych bia∏ek.

Je˝eli telomery za bardzo si´ skrócà,

to ich koƒcówki pozostanà ods∏oni´te,
gdy˝ „nie zdo∏ajà si´ zawinàç” – twier-
dzi de Lange. ¸atwo si´ wówczas wià˝à
z zakoƒczeniami innych chromosomów,
co jest dla komórki niezwykle szkodli-
we. Byç mo˝e w∏aÊnie dlatego zmuto-
wane komórki hodowane przez Sedi-
vy’ego w koƒcu obumiera∏y, choç dzieli∏y
si´ wi´cej razy ni˝ zwyk∏e. Inne komór-
ki, niereagujàce na skracanie si´ koƒ-
cówek chromosomów, zmieni∏y si´ w
nowotworowe. Zadaniem telomerów
oraz normalnego bia∏ka p21 jest wi´c
zapewne zatrzymanie podzia∏ów, które
doprowadzajà w koƒcu do Êmierci lub
nowotworzenia komórek. Byç mo˝e sta-
rzenie replikacyjne przed∏u˝a ludzkie
˝ycie, a nie je skraca, b´dàc pewnà –

choç mo˝e niedoskona∏à – formà obro-
ny komórek przed niechybnà Êmiercià
lub zrakowaceniem.

„Mamy nadziej´, ˝e uda si´ nam zdo-

byç na ten temat wystarczajàcà iloÊç in-
formacji, by zrozumieç, co si´ dzieje w
ca∏ym organizmie” – dodaje de Lange.
Wp∏yw skracania si´ telomerów na pro-
ces starzenia nie jest jednak wcale taki
pewny. Wi´kszoÊç komórek nie musi si´
dzieliç, by wykonywaç swe zadania –
oczywistym wyjàtkiem sà na przyk∏ad
krwinki bia∏e. Starsi ludzie cz´sto umie-
rajà na choroby zakaêne, które sà nie-
groêne dla m∏odszych. „Senescencja
prawdopodobnie nie dotyczy uk∏adu

nerwowego – mówi Sedivy, poniewa˝
wi´kszoÊç komórek nerwowych si´ nie
dzieli. – Mo˝e byç natomiast silnie zwià-
zana ze starzeniem si´ uk∏adu odpor-
noÊciowego”.

Utrata cz´Êci telomerów jest w ka˝-

dym razie tylko jednym z zaburzeƒ za-
chodzàcych w komórkach podczas po-
dzia∏ów, jak twierdzi Judith Campisi
z Lawrence Berkeley National Labora-
tory. Cz´sto dochodzi wówczas do
uszkodzeƒ DNA i w komórkach, któ-
re si´ dzieli∏y wiele razy, jest prawdo-
podobnie wi´cej b∏´dów genetycznych
ni˝ w m∏odych. Geny zwiàzane ze sta-
rzeniem si´ nierzadko kodujà bia∏-
ka zapobiegajàce tym uszkodzeniom lub
je naprawiajàce. Po ka˝dej mitozie
zwi´ksza si´ w jàdrach komórkowych
iloÊç produktów ubocznych kopiowania
DNA, co utrudnia nast´pne replikacje.

„Podzia∏y komórkowe sà bardzo ry-

zykowne” – podkreÊla Campisi. Nic wi´c
dziwnego, ˝e organizm ogranicza ich
liczb´. Pokonanie starzenia replikacyj-
nego nie zapewni∏oby nam nieÊmiertel-
noÊci. Gdy na dno mitotycznej klepsy-
dry opadnà wszystkie ziarnka piasku,
nie ma ju˝ sensu jej odwracaç.

n

WYDANIE SPECJALNE

ÂWIAT NAUKI

47

Zegar ˝ycia. John J. Medina; Prószyƒski i S-ka, 2001.
Mózg – tajemniczy kosmos. Ernst Poppel, A. L. Edingshaus; Paƒstwowy Instytut Wydawniczy 1998.
Time, Cognition, Thinking. E˝bieta Szelàg, Marc Wittmann; Acta Neurobiologiae Experimentalis

(Warszawa), tom 64, nr 3 (numer specjalny); VIII/2004. (www.nencki.gov.pl/an.htm)

The Living Clock. John D. Palmer; Oxford University Press, 2002.
The Evolution of Brain Activation during Temporal Processing. Stephen M. Rao, Andrew R. Ma-

yer i Deborah L. Harrington; Nature Neuroscience, tom 4, nr 3, s. 317-323; III/2001.

The Body Clock Guide to Better Health. M. Smolensky i L. Lamberg; Henry Holt and Company, 2000.

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ

Zegar oko∏odobowy steruje prawdopodobnie

równie˝

cyklami sezonowymi

zwierzàt.