Rytmy, cykle, sezony
rządzą światem
Piotr Kossobudzki
Co łączy cykady, słoneczniki i pracowników podsypiających na nocnej zmianie?
Wszyscy są sterowani niekończącymi się rytmami. Niektóre z nich trwają kilka
sekund, inne  wiele lat.
Jeśli dobrze rozejrzeć się po świecie, trudno nie zauważyć, że mnóstwo zjawisk powtarza
się w dość regularny sposób. Wygląda na to, że naszym życiem rządzą niekończące się
rytmy i cykle. Najczęściej są one reakcją na powtarzające się zjawiska zachodzące w
świecie nieożywionym: wędrówkę Ziemi wokół Słońca, cykl księżycowy czy następujące
po sobie zmiany dnia i nocy. Ewolucja premiowała tych, którzy najszybciej dostosowywali
się do kolejnych faz cyklu. Nie wystarczyło zobaczyć wschód słońca i zwiększyć swoją
aktywność. W ewolucyjnej batalii wygrywali ci, którzy mieli sprawny wewnętrzny zegar
uprzedzający o zbliżającym się świcie, wiośnie czy pełni księżyca. Dziś ich sekrety
zgłębiają chronobiolodzy  specjaliści od biologicznych cykli i rytmów.
Historia 24 godzin
Najbardziej podstawowym i jednym z najlepiej widocznych rytmów w przyrodzie jest cykl
dobowy. Nic dziwnego  to w końcu doba jest najmniejszą naturalną jednostką czasu.
Inne, drobniejsze jednostki albo zostały sztucznie stworzone przez człowieka (jak minuty i
godziny), albo mają znaczenie tylko dla określonej grupy zwierząt lub roślin i trudno
mówić o ich uniwersalnym charakterze. W każdym razie chyba największa część badań
rytmów biologicznych dotyczy cyklu dobowego. O powtarzalności pewnych zachowań
zwierząt i roślin w ciągu doby wiedzieli  a jakże  już starożytni. W czwartym wieku
przed naszą erą Androstenes, kronikarz Aleksandra Wielkiego, opisywał, że liście
niektórych drzew rozchylają się za dnia, a zwijają w nocy. Jednak na pierwszy
eksperyment dotyczący rytmów biologicznych trzeba było poczekać ponad dwa tysiące
lat. W 1729 roku francuski astronom Jean Jacques d Ortous de Mairan zamiast na
gwiazdy zwrócił uwagę na mimozę, która również rozchylała i składała liście w ciągu
doby. Francuz wystawił ją na ciężką próbę  przeniósł na kilka dni do całkowicie
zaciemnionego pomieszczenia. I co? Zdumiał się niezmiernie, bo mimo braku dziennego
światła roślina jak gdyby nigdy nic kontynuowała swoje cykliczne manewry. Niestety, de
Mairan szybko otrząsnął się ze zdumienia i wrócił do swojej astronomii, zamiast
porządnie zbadać nowo odkryte zjawisko. W praktyce wykorzystał je za to Karol
Linneusz, ojciec systematyki gatunków. Obsadził swój ogródek kwiatami, które rozchylały
i składały pączki o różnych porach. Patrząc na ten kwiatowy zegar, mógł szybko
zorientować się, która jest godzina.
Kolejne znaczące badania nad zegarem biologicznym nastąpiły dopiero w wieku XX.
Najpierw były doświadczenia z pszczołami, które przylatywały do z
ródła pokarmu o stałej
1
godzinie, niezależnie od pogody i oświetlenia. Potem wykazano, że szpaki mają
wewnętrzny zegar biologiczny dostrajany światłem, a u muszek owocowych zegara tego
nie zakłóca nawet niska temperatura (mimo że spowalnia wszystkie inne procesy
fizjologiczne). No i w końcu zaczęto namierzać kolejne mechanizmy w komórkach i geny
tworzące trybiki zegara biologicznego.
Kto krąży wokół doby?
Naukowcy nie posługują się zazwyczaj określeniem  cykl dobowy , bo rzadko wynosi on
równe 24 godziny. Częściej mówi się więc o rytmach okołodobowych. Tańczą w nich
wszystkie organizmy  od jednokomórkowych drożdży i glonów po człowieka. Tajemnicze
cykliczne ruchy roślin urzekły nawet Karola Darwina. Mało kto wie, że oprócz dzieła  O
powstawaniu gatunków stworzył też pracę  Siła ruchów roślin ( The Power of
Movements in Plants ). Opisał w niej tak zwane autonomiczne ruchy roślin, czyli takie,
które nie wynikają na przykład z ustawiania liści i kwiatów względem słońca, lecz
wyłącznie z jakiejś tajemniczej potrzeby samych roślin. Ruchy takie można obserwować
na przykład podczas wzrostu rośliny. Siewka nie wydłuża się po linii prostej, jej
wierzchołek kreśli w powietrzu elipsy, zatacza się, jakby roślina tańczyła.
Takie badania prowadzą między innymi naukowcy z Zakładu Biofizyki Wydziału Biologii i
Nauk o Ziemi UMCS. Działa tam zespół nazywany  sekcją rytmiczną , który bada
autonomiczne ruchy słonecznika.  Darwin nie umiał wyjaśnić tego zjawiska  powiedział
 Przekrojowi profesor Tadeusz Zawadzki kierujący zakładem.  Uznał, że najwidoczniej
roślinom jest ono do czegoś potrzebne. Od tego czasu minęło 130 lat, a my nadal nie
wiemy, do czego. Na pewno ruchy te są jednak przejawem jakichś cyklicznych procesów
zachodzących w roślinie.  Ich regularność w ciągu doby jest zdumiewająca, można
według nich nastawiać zegarek  mówi profesor Zawadzki. Podczas eksperymentów, w
których słonecznikom sztucznie skracano i wydłużano dobę, okazało się, że rośliny
potrafią dostosować swe rytmy do nowej długości dnia i nocy. Te doświadczenia
pokazują, że rośliny potrafią dostroić swój zegar do warunków środowiska.
Najprawdopodobniej jako czujniki światła służą roślinne barwniki  chlorofil i karotenoidy
 uważa profesor Zawadzki.  Kiedy jednak słoneczniki wystawiono na ciągłe światło,
zaczynały funkcjonować według własnego,
wewnętrznego cyklu trwającego 22 23 godziny. 
Można więc przypuszczać, że rośliny mogą mieć
 geny zegarowe , podobnie jak zwierzęta i człowiek!
Geny czasu
Nasz wewnętrzny zegar mieści się w części mózgu
Fot. FRANK/ARCO/FORUM
zwanej podwzgórzem, a dokładniej w jądrze
2
nadskrzyżowaniowym. W pobliżu krzyżują się nerwy wzrokowe idące od oczu  stąd
nazwa. Wykazano, że ludzie i zwierzęta, którym uszkodzono lub usunięto ten obszar,
tracą zupełnie rytm snu i czuwania. To centralne laboratorium czasu w naszym mózgu
synchronizuje zegary wszystkich komórek w naszym ciele, by działały w jednym rytmie.
Gdy naukowcy znalez
li wewnętrzny zegar, zaczęli też poszukiwać jego poszczególnych
trybików, czyli genów regulujących rytm dobowy. I znalez
li! Najpierw u muszki owocowej,
a potem także u nas. Takie geny są niezbędne do tego, by organizm odróżniał dzień od
nocy. Część z nich działa na zasadzie sprzężenia zwrotnego  nadmiar białka hamuje
aktywność kodującego je genu. Inne są rozkładane pod wpływem światła.
Tylko skąd światło wewnątrz mózgu? Otóż podwzgórze ma swoją  gorącą linię łączącą je
z komórkami światłoczułymi w siatkówce oka. Sygnał informujący o natężeniu światła
aktywuje lub wyłącza odpowiednie geny, rozpoczynając kaskadę sygnałów docierających
do wszystkich zakątków organizmu. Sygnał ten rozprzestrzenia się przede wszystkim w
formie informacji hormonalnych. Wiadomo, że aktywność jądra nadskrzyżowaniowego
wpływa na wydzielanie hormonu wzrostu, prolaktyny, hormonów płciowych i hormonów
tarczycy. Sygnał dociera z pewnością do szyszynki  małego gruczołu wytwarzającego
 hormon snu  melatoninę. Gdy nie ma informacji o świetle, melatonina produkowana
jest pełną parą. Światło dzienne jest sygnałem do rozpadu tego hormonu. Co ciekawe,
niedawno wykryto w szyszynce prymitywne fotoreceptory. To szczątkowa forma oka
ciemieniowego, w które byli wyposażeni nasi praprzodkowie. Występowało ono u wielu
prymitywnych płazów i gadów, a do dziś można je spotkać u hatterii  rodzaju jaszczurki.
U ptaków i ssaków pozostała po nim tylko skromna pamiątka  właśnie szyszynka.
Czy to oznacza, że w niekończącej się ciemności nasz zegar przestanie działać, że
zatracimy poczucie dnia i nocy? Nic podobnego! Tak samo jak słoneczniki przejdziemy na
swój własny cykl trwający około 24 godzin. Badania na ochotnikach przetrzymywanych w
izolacji od światła dziennego wykazały, że może im się przesunąć moment rozpoczynania
dnia, pory posiłków, ale niemożliwe jest na przykład wydłużenie cyklu aktywności i
spoczynku do 30 godzin.
Cykl dobowy jest niezwykle mocnym rytmem. Stwierdzono go nawet u pojedynczych
komórek pobranych z układu nerwowego. Wspaniałym przykładem tego, jak dzień i noc
działają na najmniejsze organizmy, są zachowania planktonu. W ciągu dnia wodne
żyjątka (niektóre nawet jednokomórkowe) zapadają się w głębsze warstwy mórz i jezior,
by w nocy wypłynąć ku powierzchni. Miliony lat ewolucji wytworzyły w nich cykl reakcji na
światło, dzięki któremu unikają żerujących za dnia drapieżników.
Skutki oszukiwania zegara
Plankton wędruje w górę i w dół nieprzerwanie od tysiącleci. Nasz zegar biologiczny nie
ma tak łatwo. Kiedyś człowiek wstawał, gdy robiło się jasno, a szedł spać z kurami. Teraz
mamy żarówki, pracujemy na nocną zmianę, do póz
na siedzimy nad książką, a w długą
trasę samochodem wyruszamy nocą, gdy jest mniejszy ruch. Efekty? Przyjrzyjmy się
statystykom wypadków drogowych, których przyczynami nie były awaria pojazdu,
uszkodzenie drogi czy nietrzez
wość kierowcy. Najwięcej zdarza się ich między północą a
3
7 rano, ze szczególnie czarną serią między godzinami 2 a 4. Inne badania wykazały, że
kierowcy ciężarówek najczęściej rozbijają się zaledwie godzinę dwie póz
niej. A teraz
zerknijmy na fizjologię człowieka w ciągu doby: po 23 we krwi rośnie stężenie melatoniny,
 hormonu snu . Maksimum osiąga w godzinach 2 3. W tym samym czasie śpimy
najmocniej. Z kolei między 4 a 6 rano nasza temperatura jest najniższa w ciągu doby.
Zaskakująca zbieżność z godzinami wypadków, prawda?
Nie każdy pracuje jednak jako kierowca lub wyrusza na wakacje po północy. Co zatem ze
wspomnianymi wcześniej pracownikami na nocnych zmianach? To też tylko ludzie, więc
eksperci sugerują, że nie przypadkiem kilka ostatnich największych tragedii w
przemysłowym świecie zdarzyło się w godzinach nocnych. Czarnobyl: godzina 1.23,
wyciek chemikaliów z fabryce w Bhopal w Indiach: 0.40, awaria w elektrowni atomowej
Three-Mile Island w USA: 4.00, katastrofa tankowca Exxon Valdez: 0.04. A co ze
sprawnością lekarzy na całodobowych dyżurach? A co z załogami nocnych pociągów czy
samolotów?
Chyba nie ma już możliwości, by zrezygnować z pracy ludzi w godzinach ich
biologicznego  doła . Tylko że za nieposłuszeństwo wobec naszych cykli trzeba zapłacić.
Już jedna zarwana noc oznacza póz
niejsze problemy z żołądkiem (aktywność jelit i
wątroby to procesy cykliczne) i drastyczny spadek możliwości fizycznych i psychicznych.
A dla pracodawcy  jak można się domyślać  zwiększone ryzyko wypadków i gorszej
jakości pracy. Zgadnijcie, w którym momencie doby zdarza się najwięcej błędów
popełnianych przez pracujących w systemie trzyzmianowym?
Osoby, które pracują wbrew cyklowi dzień noc i naturalnej aktywności swoich bliskich,
wprowadzają zaburzenia do swojego wewnętrznego zegara. Zaczyna się on częściowo
dostosowywać do nowych pór aktywności. Sęk w tym, że poszczególne geny i procesy
tworzące zegar  przełączają się z różną prędkością. W efekcie aktywność fizyczna
 rozjeżdża się z intelektualną, pobudzenie z porami posiłków, a za wszystkim nie
nadążają dobowe zmiany temperatury ciała. Skutki? Pracownicy na nocnych zmianach są
bardziej narażeni na choroby układu pokarmowego (na przykład wrzody), nadciśnienie,
miażdżycę i otyłość oraz, oczywiście, na zaburzenia snu i inne dolegliwości psychiczne.
Coś dla skowronka, coś dla sowy
Ale dzięki znajomości ludzkiego wewnętrznego zegara można złagodzić skutki działania
wbrew jego wskazaniom. Po pierwsze, wyznaczając pracownikom zadania o świcie lub
ciągnące się do póz
na w nocy, trzeba starać się wykorzystać ich naturalne
predyspozycje. Mimo że nasze organizmy działają w (niemal) 24-godzinnym cyklu, dla
niektórych dzień zaczyna się wcześniej (tak zwane skowronki), a dla innych póz
niej, ale
za to trwa odpowiednio dłużej (sowy). Przesunięcie w fazie może sięgać kilku godzin.
Eksperci od snu szacują, że około 40 procent ludzi można zaliczyć do jednej z tych
kategorii. Pozostali lokują się gdzieś pośrodku. Chronobiolodzy wykazali też, że mniej
szkodliwe są krótkie serie nocnych dyżurów (trzy doby, po czym dzień przerwy na
odespanie zaległości) niż tradycyjne cotygodniowe zmiany godzin pracy. Siedem dni to
wystarczająco długo, by organizm był już dość zaawansowany w przestawianiu się na
4
nowe pory aktywności, po czym następuje... kolejna zmiana. Na dodatek w tym czasie
wypada weekend, gdy rodzina oczekuje aktywności o normalnych dzienno-nocnych
porach.
Badacze cykli biologicznych zalecają także, by kolejny dyżur był póz
niejszy od
poprzedniego (zmiana poranna, popołudniowa, nocna i znowu poranna). Niezłym
rozwiązaniem jest zezwolenie na krótkie drzemki w momentach kryzysu (ich skuteczność
przetestowano zarówno w hutach, jak i wśród załóg międzykontynentalnych samolotów).
Trzeba tylko pamiętać, że na rozbudzenie po nich potrzeba około 5 20 minut. Ciągle
sprawdzane są skutki wspomagania organizmu  zmianowców lekami (melatoniną,
benzodiazepinami czy kofeiną) i naświetlaniami.
Cykle mikro i makro
Zgodnie z dewizą carpe diem mnóstwo miejsca poświęciliśmy opisaniu rytmów
dobowych. Ale przecież to niejedyne rytmy, które władają życiem na Ziemi. Rządzi nami
na przykład Księżyc. Odzwierciedleniem czasu jego obiegu wokół Ziemi jest zapewne
kobiecy cykl menstruacyjny. Twardą ręką trzyma nas rytm roczny związany ze zmianami
pór roku. Jego konsekwencją są między innymi nieprawdopodobne wędrówki zwierząt 
ptaków, motyli, ryb... Większość obyczajów godowych zwierząt wpisana jest w roczny
harmonogram. Potomstwo powinno się przecież urodzić w miesiącach, gdy aura sprzyja,
a pożywienia jest pod dostatkiem. Rośliny też muszą rozkręcić się przed wiosną i
zabezpieczyć na zimę. Skąd wiedzą o upływie czasu i zmianach pór roku? Rytm roczny
jest zazwyczaj koordynowany przez sygnały o zmieniającej się długości dnia i przez
zmiany temperatury.
Rok to dość długo, ale są i dłuższe cykle. Niektóre gatunki bambusa kwitną na przykład
co siedem lat. Najbardziej zdumiewający cykl wśród ziemskich organizmów mają jednak
cykady. Siedem spośród ponad dwóch tysięcy gatunków cykad zachowuje się niezwykle
ekstrawagancko. Pojawiają się w milionach osobników co 13 lub 17 lat! Jak w zegarku!
Jak to robią? Otóż ich poczwarki przez 12 lub 16 lat siedzą 30 centymetrów pod ziemią.
Gdy temperatura gleby osiągnie 18 stopni Celsjusza, cykady rozpoczynają marsz na
powierzchnię. Wychodzą z ziemi i przeistaczają się w osobniki dorosłe. Wszystkie naraz!
Z dokładnością do kilku dni! Ich biologiczny zegar musiał być wyprodukowany w
Szwajcarii.
Na drugim końcu rytmicznej skali mieszczą się cykle biologiczne, które powtarzają się w
czasie krótszym niż jedna doba. Mogą to być kolejne fazy snu REM trwające zwykle po
około 1,5 godziny. To także wydzielanie hormonów  wyrzut kolejnych porcji hormonu
wzrostu następuje na przykład co mniej więcej trzy godziny. Bakterie w korzystnych dla
nich warunkach dzielą się także jak na komendę, nawet co kilka kilkanaście minut. Każdy
z tych cykli jest już od dawna pod lupą naukowców. Starają się oni zgłębić sekrety
biologicznych zegarów  i tych dostojnych, liczących czas w latach, i tych odmierzających
sekundy. Wszystkie organizmy i ich cykle są dla badaczy równie ważne. Jak wam się
podoba publikacja na temat milimetrowego robaka Caenorhabditis, u którego
rozentuzjazmowani chronobiolodzy odkryli trwający 45 sekund cykl... wypróżniania?
5
Piotr Kossobudzki
38/2006
6