Zegar tyka w rytmie Ziemi

Czujesz to, jak Ziemia oddycha swoim rytmem, a wraz z nią wszystko, co żyje? Czujesz ten zapisany w naszych komórkach czas poranków i zmierzchów, niezależny od kalendarzy i pośpiechu? To właśnie jest cichy puls życia – zegar biologiczny – który tyka w rytmie Ziemi.

Zanim nauczyliśmy się mierzyć czas zegarami, nasze ciała odliczały go ruchem Słońca, zmianami światła i ciemności, cichą pracą Ziemi pod stopami. Do dziś w każdej komórce żywego organizmu tyka mechanizm starszy niż kultura i cywilizacja. Tyka zegar, który powstał wraz z narodzinami Życia.

Ten zegar, to zegar biologiczny, wewnętrzny mechanizm, który decyduje, co i kiedy ma się zadziać – zarówno na poziomie komórki, jak i całego organizmu. To tenże zegar decyzje o porze snu i czuwania, wydzielaniu hormonów, aktywności i spoczynku, o wszelkich zmianach zachodzących w organizmach w ciągu doby.

Gdzie jesteś, zegarze?

U ludzi główny, wewnętrzny zegar biologiczny znajduje się w mózgu, w jądrach nadskrzyżowaniowych podwzgórza. Jego głównym synchronizatorem jest światło słoneczne, a cykl jest tzw. cyklem okołodobowym. Podlegają mu tzw. endogenne zegary wewnątrzkomórkowe.

Ale zegar biologiczny występuje nie tylko u człowieka. Jest on immanentną cechą wszystkich organizmów, poczynając od najprostszych organizmów jednokomórkowych. Występuje także u roślin, bo jest ściśle związany z Życiem.

Światło i… bez światła

Choć głównym i najważniejszym czynnikiem synchronizującym zegar biologiczny jest światło słoneczne, czyli rytm dnia i nocy, to nie jest ono jedynym. Są też zegary regulowane np. przez zmiany temperatury otoczenia. Ale co ważniejsze, te zewnętrze czynniki, nie decydują o istnieniu samego zegara.

Gdyby rytmy biologiczne były wyłącznie odpowiedzią na bodźce zewnętrzne, to po przeniesieniu organizmu do stałej ciemności, przy stałej temperaturze i bez zmian środowiskowych rytmy powinny zaniknąć. A tak się nie dzieje.

Nawet w ciemności rośliny np. nadal „wiedzą”, kiedy jest dzień i noc, zwierzęta zachowują rytm snu i czuwania, a ludzkie ciało nadal oscyluje hormonalnie. Wszystko to dzieje się z okresem około 24 godzin, nawet bez słońca.

Ten około dwudziestoczterogodzinny rytm dobowy, tzw. rytm circadialny, to było kluczowe odkrycie chronobiologii XX wieku, które wskazuje, że zegar biologiczny, według którego natura „chodzi” cyklicznie, jest endogenny, czyli wewnętrzny. Jest to po prostu właściwość fizjologii materii żywej.

Na poziomie molekularnym endogenne zegary biologiczne opierają się na pętlach sprzężeń zwrotnych gen–białko–gen. Obejmują one czas potrzebny do przebiegu procesów transkrypcji, translacji, fosforylacji i degradacji białek, które to procesy zachodzą rytmicznie w każdej żywej komórce organizmu.

Życie bowiem, jako proces termodynamiczny, samo generuje oscylacje. Tak więc czasowość okołodobowa jest immanentną cechą materii ożywionej.

Ale… dlaczego akurat około 24 godziny?

Tu trzeba zahaczyć o geofizykę. Zegar biologiczny nie ma dokładnie 24 godziny, lecz okołoziemski okres własny, który jest nieco różny dla człowieka, zwierząt i roślin.

I tak, dla ludzi wynosi on ok. 24,2 godziny, dla myszy ok. 23,7 godziny, dla roślin zwykle między 24 a 26 godzin. Dlaczego? Bo zegar biologiczny nie powstał w próżni kosmicznej, tylko w środowisku o określonych cyklach geofizycznych takich, jak: obrót Ziemi (dzień–noc), pole magnetyczne, zmiany temperatury, cykl pływów (12,4 h), cykl księżycowy (29,5 dnia), sezonowość osi Ziemi.

To w tych warunkach geofizycznych rozwijało się Życie na Ziemi. Ale co ważne, ewolucja nie stworzyła zegara — ona go tylko dostroiła do ziemskich warunków, albowiem oscylatory biologiczne zaistniały już od samego początku – od powstania pierwszej komórki, a ewolucja tylko zsynchronizowała je z rytmami planety.

Tak więc Ziemia nie wymusiła powstanie zegara, lecz wybrała, które oscylacje w komórce przetrwają. Organizmy z wewnętrzną rytmicznością lepiej przewidywały świt, uruchamiały fotosyntezę zanim wzeszło słońce, naprawiały DNA nocą, ograniczały stres oksydacyjny. To była ogromna przewaga selekcyjna w walce o byt.

Zegary starsze niż tlenowa atmosfera

Cyjanobakterie, czyli tzw. sinice, to jedne z najstarszych organizmów na Ziemi, liczą ponad 3,5 miliarda lat. Powstały, gdy w ziemskim powietrzu nie było jeszcze nawet grama tlenu, bez którego dziś nie wyobrażamy sobie życia.

I dobrze, że powstały, bo to właśnie dzięki nim pojawił się tlen w procesie tzw. fotosyntezy oksygenicznej, czyli takiej, w której produktem ubocznym jest tlen. Czyż to nie fascynujące, że kolejne organizmy, które pojawiały się na Ziemi i wymagały do życia tlenu, mogły się pojawić tylko dzięki produktowi ubocznemu fotosyntezy cyjanobakterii?

Ale wracając do zegara biologicznego, nawet tak proste organizmy jak cyjanobakterie, które nie mają nawet jądra komórkowego, posiadają pełnoprawny zegar dobowy, zsynchronizowany z rytmami naszej planety.

Najtrafniej ujmuje to dzisiejsza chronobiologia: życie nie funkcjonuje w czasie – życie jest czasem. Zegar biologiczny nie jest dodatkiem do życia, nie jest narządem, nie jest reakcją adaptacyjną.

Zegar biologiczny, który nam tyka w każdej komórce ciała, jest fundamentalną właściwością systemów żywych, jest niezwykłą zdolnością do wewnętrznego odmierzania zmiany.

Endogenne zegary biologiczne są więc immanentną cechą fizjologii życia, lecz ich konkretna architektura i okres zostały ewolucyjnie ukształtowane przez rytmy geofizyczne Ziemi.

Życie nauczyło się czasu, ponieważ Ziemia go śpiewała.

cdn.

Ten wpis otwiera nowy cykl artykułów na blogu OPOWIEŚCI WĘDROWNE pt. „W rytmie Natury”.