Cykle biologiczne zarówno ssaków jak i innych zwierząt i roślin były obserwowane przez człowieka od zarania dziejów. Obserwując zmiany okresowe i dobowe mógł on wykorzystywać je do własnych celów. Pierwszym takim udokumentowanym wynikiem poznania tych rytmicznych przemian było skonstruowanie przez Linneusza „zegara kwiatowego” w latach 30-tych XVIII wieku (Cymborowski, 1983), który odznaczał się falowaniem w rytmie upływających godzin. Jednak wówczas jeszcze niemożliwe było badanie tych cyklicznie obserwowanych przemian. Dopiero rozwój metod badawczych umożliwił w XX i XXI wieku poznawanie dokładnych źródeł tych procesów.

Człowiek próbował na początku cykle biologiczne przypisać zmieniającym się warunkom oświetlenia i temperatury. Jednak w przypadku bardzo wielu procesów rytmy biologiczne charakteryzowały się jako czynnik niezależny od oscylacji środowiska. Potwierdzają to liczne badania wykonywane od końca XIX wieku (Cymborowski, 1983).

Co ciekawe cykle biologiczne wykazują nie tylko organizmy tak skomplikowane jak ssaki, ale również organizmy jednokomórkowe jak przykładowo Euglena gracilis (Bruce i Pittendrigh, 1957-1958) i Paramecium (Ehret, 1953; Barnett, 1965; Karakashian, 1965) (Cymborowski, 1983). Ponadto możemy o nich mówić nie tylko w kontekście całego organizmu, ale także organu, tkanki lub tylko jednej komórki całego organizmu.

Pomimo występowania czynników endogennych mających wpływ na istnienie i działanie zegara biologicznego, istnieje wiele czynników mogących modulować jego okres, amplitudę zmian i charakter. Możemy tu zaliczyć czynniki takie jak: cykliczne zmiany światła i ciemności, zmiany temperatury, a nawet bodźce dźwiękowe czy społeczne (Cymborowski, 1983). Wszystkie te czynniki spełniają również rolę synchronizatorów, czyli odpowiednio modulują fazę rytmu biologicznego stosownie do fazy oscylacji środowiska. Bez bodźców zewnętrznych rytm może ulegać stopniowemu przesunięciu w fazie.

Istota zegara biologicznego.

Zegary okołodobowe są autonomicznymi mechanizmami utrzymywania czasu, które pozwalają żywym organizmom do przewidywania i dostosowywania się do środowiskowych rytmów świetlnych, temperaturowych i dostępności pożywienia. (Clock3 C. A. Feillet i wsp., 2006).

Wszystkie organizmy żyjące na Ziemi doświadczają cyklicznych zmian warunków ich środowisk. Zegar okołodobowy jest drogą adaptacji do nich. Ten wewnętrzny system pomiaru czasu, którego okres oscylacji wynosi około 24 godzin, pozwala na dostosowanie się do zmian warunków środowiska. Mechanizm tego systemu przybrał obraz odzwierciedlający codzienne wschodzenie i zachodzenie Słońca, wewnątrz organizmu i został określony circadian clock – biologiczny zegar okołodobowy, czyli zegar o cyklu zbliżonym do jednego dnia (łac. circa diem). (U. Albrecht, 2006).

U ssaków same struktury zegara biologicznego odznaczają się swoistego rodzaju hierarchią, tworzącą dość skomplikowaną machinerię zegarową, która generuje i podtrzymuje 24 godzinną częstotliwość.(Cell circadian 2009 L. Borgs i wsp., 2009).

Przykładem jak bardzo przydatny jest zegar biologiczny u organizmów żywych było użycie różnych szczepów sinic o różnych właściwościach zegara hodowanych ze sobą w warunkach wzajemnej konkurencji. Szczepy z prawidłowo funkcjonującym zegarem okołodobowym zabijały szczepy z zakłóconym zegarem, przewaga ta znikała w stałych warunkach (Ouyang in., 1998; Woelfle i in., 2004). Doświadczenia nad pierwotniakiem Euglena gracilis potwierdziły, że najbardziej reaguje na światło w dzień, a najmniej w nocy. (Pohl, 1948). Organizmy najbardziej efektywnie konkurują w rytmicznie zmieniających się warunkach środowiska, kiedy częstotliwość wewnętrznego biologicznego oscylatora jest podobna do cyklu środowiskowego. Jest to również ważne dla wielokomórkowych organizmów eukariotycznych, co niedawno wykazano w badaniach z zastosowaniem roślin Arabidopsis thaliana. Porównując dziki typ z mutantami o dłuższym lub krótszym cyklu zegara biologicznego wskazano na korzyści z dopasowania wewnętrznego okołodobowego cyklu do zewnętrznych warunków światła i ciemności. Stąd rośliny typu dzikiego charakteryzowały się szybszą biosyntezą, rosły szybciej, a także lepiej przetrzymywały trudne warunki niż te o niedostosowanej długości cyklu biologicznego do środowiska (Dodd i in., 2005). U ssaków zegar wydaje się służyć do odpowiedniego przygotowania organizmu na sprostanie i wykonywanie różnych zadań, które okresowo występują w ciągu dnia. Na przykład przewidywane czasu dostępności żywności jest kluczem do przetrwania większości zwierząt. (U. Albrecht, 2006). Zatem zegar pełni ważną rolę nie tylko w konkurencji między organizmami wzmagając adaptację i warunkując niektóre aspekty przetrwania organizmu i gatunku. Do jego zadań należy nie tylko przewidywania pory pojawienia się pożywienia, ale także zmniejszone wydatkowanie energii w trakcie nocy i zachowanie jej w porach dnia, kiedy konieczna jest wzmożona aktywność (U. Albrecht, 2006).

Organizacja zegara biologicznego ssaków.

Dzisiaj już wiadomo, że główne ośrodki zarządzające zegarem biologicznym ssaków znajdują się w mózgu, a dokładniej w jądrze nadskrzyżowaniowym (superchiasmatic nuclei). Superchiasmatic nuclei (SCN) jest małą parzystą strukturą znajdującą się w przedniej części podwzgórza tuż nad chiazmami optycznymi u podstawy trzeciej komory (Scott A. Rivkees i Haiping Hat, 2000). Każde jądro zawiera około 10.000 neuronów. Jądra są strategicznie położone dla odbierania bodźców sygnałów światła i ciemności, oddziałowują bezpośrednio jak i pośrednio szlakami siatkówka-SCN (Steven M. Reppert i David R.Weaver, 2001). Ponadto ostatnie odkrycia potwierdziły możliwe istnienie innych nadrzędnych oscylatorów jak przykładowo zegara zorientowanego żywieniem (food entrainable clock: FEC), inne pozostają wciąż niezidentyfikowane (C. A. Feillet i wsp., 2006).

Centralne zegary wytwarzają rytmiczne sygnały wyjściowe, aby instruować liczne zegary obwodowe zlokalizowane w innych tkankach i narządach. Z kolei te obwodowe oscylatory stanowią podstawę rytmów fizjologicznych, metabolicznych i tych uzewnętrzniających się w zachowaniu. Dotychczas uważano, że obwodowe oscylatory w tkankach są zależne od SCN i przy braku sygnałów z niego, ich oscylacje są z czasem tłumione (S. M. Reppert i D. R.Weaver, 2001). Ostatnie badania wykazały jednak istnienie podobnego mechanizmu sprzężeń zwrotnych podtrzymujących cykl w tkankach obwodowych jak w SCN (L. Borgs i wsp., 2009). Wcześniejsze przypuszczenia, że oscylacje są tłumione w tkankach obwodowych było związane przede wszystkim ze zbyt małą ilością punktów pomiarowych i tym samym dużą niedokładnością metod badawczych (S. M. Reppert i D. R. Weaver, 2001). Prawdą jest jednak, że SCN i FEC nadzorują wszystkie oscylatory obwodowe i dostosowują je odpowiednio do zmian warunków środowiska, a także odpowiednio synchronizują, wyprzedzając o 3 do 9-ciu godzin oscylacje w tkankach. (L. Borgs i wsp., 2009).

Dawcy czasu.

Zegar biologiczny składa się z dość skomplikowanego mechanizmu działającego w organizmie na zasadzie pętli zwrotnych, które oscylują przez całe życie organizmu. Do prawidłowego funkcjonowania wymagany jest jednak dodatkowo kontakt ze środowiskiem, aby odpowiednio korygować jego zmiany i cały czas utrzymywać organizm w stanie zsynchronizowania ze środowiskiem. Takimi bodźcami mogącymi „przesuwać wskazówki zegara biologicznego” stanowią głównie czynniki rytmicznie zmieniające się wraz z warunkami środowiska. Zostały one określone dawcami czasu – Zeitgeber - czynnik środowiska mający zdolność na pracę zegara biologicznego, a tym samym wskaźnik czasu dla organizmu. (Cymborowski, 1983). Jak dotychczas do takich czynników możemy zaliczyć bodźce świetlne, czas żywienia (przy ograniczonym czasowym dostępie do żywności o określonych porach dnia) (E. Challet, 2007), w pewnym stopniu bodźce dźwiękowe, społeczne (Cymborowski, 1983), a także niektóre narkotyki i środki farmakologiczne (S. M. Reppert i D. R. Weaver, 2001).

Regulacja fazy zegara za pomocą bodźców świetlnych.

Rytm dnia i nocy jest zasadniczy dla synchronizacji wewnętrznej fizjologii organizmu i jest niezbędny w adaptacji do warunków otoczenia (Cymborowski, 1983). Bodźce świetlne są jednym z dawców czasu (Zeitgeber) dla organizmu. Molekularny mechanizm zegarowy u ssaków jest związany z różnymi genami zegarowymi ze specyficznymi wzorcami ekspresji w czasie. Synchronizacja głównego zegara okołodobowego zawarta w jądrze nadskrzyżowaniowym i jego genów jest regulowana głównie przez codzienne resetowanie fazy zegara przez bodźce świetlne. Zmiana fazy w odpowiedzi na światło jest skorelowana z indukcją Per1 i Per2 wewnątrz komórek SCN. Czas obwodowych oscylatorów jest kontrolowany niemal wyłącznie przez zegar SCN, kiedy jedzenie jest dostępne przez cały czas.

SCN, który otrzymuje informacje świetlne z fotoreceptorów (bodźce świetlne) w pręcikach i czopkach, jak również z melanopsyny zawieranej przez komórki zwojowe siatkówki. Informacje te są przekazywane za pośrednictwem elektrycznych sygnałów przez retinohypothalamic tract – RHT (droga siatkówkowo-podwzgórzowa). Neurotransmitery glutaminianowe i przysadkowego adenylowanego aktywujące cyklazy peptydu uwalniane z synaps RHT kontaktujących się z SCN, inicjują napływ wapnia, który w rezultacie aktywuje niektóre kinazy białkowe (białkowa kinaza A, PKA; białkowa kinaza C, PKC; białkowa kinaza G, PKG, cGK; kinaza białkowa aktywująca miogen, MAPK). (U. Albrecht, 2006).

To prowadzi, oprócz bezpośredniej stymulacji wczesnych genów, do aktywacji genów Per1 i Per2 i do świetlnej regulacji akumulacji białek PER, biorących udział w dostosowywaniu zegara do światła dziennego. Mutacja Per2 prowadzi na przykład do takich przypadłości jak rodzinny zaawansowany syndrom fazy snu (FASPS).

Pojedyncze neurony SCN zawierają autonomiczne oscylatory. Długość cyklu waha się między komórkami powodując desynchronizację w kulturach rozproszonych. W organizmach neurony są połączone i koordynują swój wzajemny rytm – połączenie główne przez synapsy elektryczne i naczynioaktywny jelitowy polipeptyd. Zwierzęta przechowywane w stałej ciemności potrafią utrzymywać swoją rytmikę nawet przez wiele lat, lecz w stałym świetle zwierzęta zaczynają wykazywać stopniową arytmikę w wyniku desynchronizacji neuronów zegara względem siebie.

Ważne, Cymborowski, 31 strona.

FEC

Wśród wszystkich czynników zdolnych do synchronizacji SCN do dokładnie 24- godzinnego cyklu, cykl światła i ciemności jest najważniejszym czynnikiem (czynniki świetlne). Niemniej jednak mechanizm zegarowy SCN i odpowiedź świetlna mogą ulegać modulacji przez czynniki żywieniowe. Ponad to, w warunkach ograniczonego karmienia wedle harmonogramu i inne niefotyczne czynniki jak kierowane metamfetaminą, mogą również mieć wyraźny wpływ na zachowanie i fizjologię bez zmian z SCN. zatem nawet jeśli SCN jest niewątpliwie centralnym zegarem okołodobowym, inne regiony mózgu i wiele innych komórek w całym ciele wykazuje ekspresję genów zegarowych i jest zdolnych do wykazywania nieprzerwalnych oscylacji genów zegarowych. Czy zgeneralizowana ekspresja genów zegarowych sugeruje, że sieć lokalnych oscylatorów jest zarządzana przez główny zegara SCN czy też odsania istnienie nowych nadrzędnych zegarów? Analizując ostatnie dane możemy skłaniać się do drugiej opcji.