2.10.2006
Rytmy, cykle, sezony rządzą światem Piotr Kossobudzki
Nasz wewnętrzny zegar mieści się w części mózgu zwanej podwzgórzem, a dokładniej w jądrze 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 znaleźli wewnętrzny zegar, zaczęli też poszukiwać jego poszczególnych trybików, czyli genów regulujących rytm dobowy. I znaleźli! 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 późna 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 nietrzeźwość kierowcy. Najwięcej zdarza się ich między północą a 7 rano, ze szczególnie czarną serią między godzinami 2 a 4. Inne badania wykazały, że kierowcy ciężarówek najczęściej rozbijają się zaledwie godzinę-dwie później. 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 późniejsze 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 późna 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 później, 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 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 późniejszy 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?