I biologi er døgnrytmer (fra latin circa , som betyr 'rundt' og dør , som betyr 'dag') svingninger av biologiske variabler med jevne tidsintervaller .
Alle dyr (inkludert mennesker ), planter og alle organismer viser en eller annen form for fysiologisk rytmisk variasjon (metabolsk hastighet, varmeproduksjon, blomstring, etc.) som vanligvis er assosiert med rytmiske miljøendringer. Ulike rytmer med perioder fra brøkdeler av et sekund til år er dokumentert i alle eukaryote organismer så vel som mange prokaryoter . Selv om de kan modifiseres av eksogene signaler, vedvarer disse rytmene under laboratorieforhold, selv uten ytre stimuli. [ 1 ]
Biologiske rytmer har blitt klassifisert i henhold til deres frekvens og periode. Cirkadiske sykluser har vært mest studert, og periodeverdien deres lar dem synkronisere med miljørytmer som har en periodeverdi mellom 20 og 28 timer , for eksempel lys- og temperatursykluser . Døgnrytme er endogene og etablerer et stabilt faseforhold med disse ytre syklusene, forlenger eller forkorter periodeverdien og matcher den med miljøsyklusen. De har følgende egenskaper:
En syklisk miljøendring som er i stand til å synkronisere en endogen rytme kalles en synkronisator eller zeitgeber (det tilsvarende begrepet på tysk).
Døgnrytme reguleres av døgnklokker , strukturer hvis kompleksitet varierer i henhold til den tilsvarende organismen.
Kunnskapen om periodisiteten til naturlige og miljømessige fenomener i døgnrytmer går tilbake til svært primitive tider i menneskehetens historie, og tid og den periodiske variasjonen av biologiske fenomener innen helse og sykdom okkuperte en svært viktig plass i eldgamle legers doktriner. Disse konseptene ble samlet og utvidet med observasjoner av de greske naturforskerne. Således skriver for eksempel Aristoteles , og senere Galen , om søvnens periodisitet, med fokus på hjertet i den første og hjernen i den andre. Fakta som blomstring av planter, sesongmessig reproduksjon av dyr, migrasjon av fugler, dvalemodus for noen pattedyr og krypdyr, alle dagligdagse fenomener for mennesket, ble i utgangspunktet betraktet som enkle konsekvenser av virkningen av ytre faktorer og astronomiske I følge denne oppfatningen, som holdt seg i århundrer, påla miljøet sin rutine på levende vesener.
Det var ikke før for 250 år siden at den franske astronomen Jean de Mairan , ved hjelp av en heliotropisk plante , utførte det første eksperimentet som ville endre teoriene om at døgnrytmer bare var passive reaksjoner på miljøet og antydet deres endogene lokalisering. I 1832 legger Agustín de Candolle til et nytt bevis på den endogene naturen til biologiske rytmer, da han viser at under konstante forhold varte perioden med plantebevegelser i omtrent 24 timer.
På slutten av 1800-tallet utviklet Aschoff, Wever og Siffre de første undersøkelsene av mennesker, og de første beskrivelsene av daglige temperaturrytmer hos skiftarbeidere eller soldater under nattskift dukket opp.
Men selv om døgnrytmer har vært kjent i mer enn to århundrer, var det ikke før på 1960 -tallet at begrepet døgnrytme ble laget av Franz Halberg , [ 2 ] fra begrepene circa (lat. , 'rundt') og diem (lat . ., 'dag'). Han var også den viktigste promotøren av kronobiologi eller den formelle studien av temporale biologiske rytmer, både daglige og ukentlige så vel som årlige.
I 2017 var Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash og Michael W. Young vinnerne av Nobelprisen i medisin etter å ha oppdaget de molekylære mekanismene som regulerer døgnrytmen. [ 3 ]
Døgnrytmer ville ha oppstått i de mest primitive cellene med det formål å beskytte DNA-replikasjon fra høy ultrafiolett stråling i løpet av dagen. Som et resultat av dette ble DNA-replikasjon henvist til den nattlige perioden. Neurospora- soppen opprettholder denne døgnrytmemekanismen for replikering av dets genetiske materiale.
Den enkleste kjente døgnklokken er den av cyanobakterier . Det har blitt vist at døgnklokken til Synechococcus elongatus kan rekonstrueres in vitro med sammenstilling av bare tre proteiner , som kjører med en 22-timers rytme i flere dager, med bare tilsetning av ATP [ sitering nødvendig ] .
Selv om funksjonen til døgnsyklusen til disse prokaryotene ikke er avhengig av tilbakemeldingsmekanismer for DNA- transkripsjon / translasjon , ville det for eukaryoter være den siste måten å regulere døgnrytmen deres på. Faktisk, selv om eukaryote og prokaryote sykluser deler den grunnleggende arkitekturen (inngangssignal/intern oscillator/utgangssignal), deler de ingen andre likheter, og derfor postuleres forskjellige opphav for begge. [ 4 ]
Døgnrytme er viktig ikke bare for å bestemme dyrenes søvn- og fôringsmønster, men også for aktiviteten til alle hormonakser, celleregenerering og hjerneaktivitet, blant andre funksjoner.
Døgnklokken hos pattedyr er lokalisert i den suprachiasmatiske kjernen (SCN), en gruppe nevroner i den mediale hypothalamus . Ødeleggelsen av denne strukturen fører til fullstendig fravær av døgnrytmer. På den annen side, hvis SCN-celler dyrkes in vitro, opprettholder de sin egen rytme i fravær av eksterne signaler. I følge dette kan det fastslås at SCN danner den "interne klokken" som regulerer døgnrytmer.
Aktiviteten til SCN er modulert av eksterne faktorer, fundamentalt variasjonen av lys. SCN mottar informasjon om eksternt lys gjennom øynene. Netthinnen inneholder ikke bare klassiske fotoreseptorer som lar oss skille former og farger. Den har også ganglionceller med et pigment som kalles melanopsin , som gjennom retinohypothalamic-kanalen bærer informasjon til SCN. SCN tar denne informasjonen om den ytre lys/mørke-syklusen, tolker den og sender den til epifysen eller pinealkjertelen . Sistnevnte skiller ut hormonet melatonin som respons på stimulering fra SCN, dersom dette ikke har blitt undertrykt av tilstedeværelsen av sterkt lys. Melatoninsekresjonen er derfor lav om dagen og øker om natten. [ 5 ] [ 6 ]
Rytmen er knyttet til lys-mørke-syklusen. Dyr, inkludert mennesker, har blitt holdt i totalt mørke i lengre perioder og til slutt blitt regulert av frittløp. Søvnsyklusen din er forsinket eller avansert hver "dag", avhengig av om "dagen", din endogene periode, er mindre enn eller større enn 24 timer. De miljømessige signalene som justerer rytmene hver dag kalles "zeitgebers" (fra tysk, "tidsgivere" [ 7 ] ). Helt blinde underjordiske dyr, for eksempel den blinde føflekrotten, er i stand til å opprettholde sin indre klokke i tilsynelatende fravær av en ekstern stimulans. Til tross for mangelen på øyestruktur, fortsetter deres fotoreseptorer (som oppdager lys) å fungere; på samme måte kommer de med jevne mellomrom til overflaten. [ 8 ]
Frittløpende organismer som normalt har en eller to episoder med konsolidert søvn vil fortsette å holdes i et tidsgeber-berøvet miljø, men rytmen trenes ikke med 24-timers lys-mørke-syklusen i naturen. Søvn-våkne-rytmen, under disse omstendighetene, kan være ute av fase med andre døgnrytmer eller ultradiske rytmer, så vel som metabolske, hormonelle, CNS-elektriske eller nevrotransmitterrytmer. [ 9 ]
Nyere studier har påvirket utformingen av romfartøymiljøer, med lys-mørke syklussimuleringssystemer er det funnet store fordeler for astronauter. [ 10 ]
Det er en rekke biologiske prosesser som er underordnet døgnsyklusen. Blant dem kan vi nevne hekokinase-enzymet, regenereringen av tarmepitelet og produksjonen av en rekke hormoner som:
I tillegg antas det at døgnsyklusen endrer seg med årstidene (døgnårsrytmer) og at konsentrasjonene av hormoner i blodet varierer, avhengig av andre faktorer, som alder eller helsetilstand.
Det er også kjent at det er forsinkelser i den kvinnelige biologiske syklusen; en forsinkelse av østradiol på en dag hvis det er en overføring fra et område med høyt trykk til lavt trykk og fra lav temperatur til høy temperatur.
Nylig har det blitt postulert at mange ikke-nerveceller også har døgnrytmer, og deler det døgnmolekylære maskineriet (klokkegener [ 12 ] ) med SCN. For eksempel reagerer leverceller på matsykluser mer enn på lys. Denne og andre celletyper som har sine egne rytmer kalles perifere oscillatorer (alltid underordnet den suprachiasmatiske kjernen). Disse vevene inkluderer: spiserøret , lungene , leveren , milten , thymus , blodceller , hudceller , binyrene [ 13 ] blant andre. Selv luktpæren og prostata ville gjennomgå rytmiske svingninger i in vitro-kultur, noe som tyder på at de også ville være perifere oscillatorer i svak form.
Perifere oscillatorer (perifere klokker) synkroniseres hovedsakelig av lys (via SCN), men fôringstid eller glukokortikoider (7) som kortisol er også mindre kraftige synkroniseringssignaler enn lys, men like effektive.
Nyere studier på døgnrytmer tyder på at de fleste foretrekker en dag nær 25 timer når de er isolert fra ytre stimuli som dagslys og tid. Imidlertid har disse studiene hatt begrensninger i å skjerme deltakerne mot kunstig lys. [ 14 ] Selv om forsøkspersonene var skjermet fra zeitgebers og sollys, var forskerne uvitende om faseforskyvningseffektene av elektrisk lys. Forsøkspersonene fikk slå på lyset når de var våkne og kunne slå det av når de ville sove. Elektrisk lys på ettermiddagen kastet døgnrytmen hans ut av fase. [ 15 ] En annen strengere studie, utført i 1999 av Harvard University, anslo at den naturlige døgnrytmen hos mennesker er nærmere 24 timer og 11 minutter, nærmere soldagen. [ 16 ]
Endringen i rekkefølgen eller rekkefølgen til disse rytmene har en negativ effekt på kort sikt. Mange reisende har opplevd jetlag , med sine symptomer på tretthet, desorientering og søvnløshet. I tillegg til alkohol er noen psykiatriske og nevrologiske lidelser, som bipolar lidelse og noen søvnforstyrrelser, assosiert med uregelmessig funksjon av døgnrytmer generelt, ikke bare i søvn-våkne-syklusen. Det har blitt antydet at døgnrytmeforstyrrelser ved bipolar lidelse påvirkes positivt av den klassiske behandlingen for denne lidelsen, litium. [ 17 ]
Langsiktige endringer av døgnrytmer vil ha uheldige konsekvenser i flere systemer, spesielt i utviklingen av forverringer av hjerte- og karsykdommer.
Periodisiteten til noen behandlinger, i koordinering med kroppsklokken, kan øke effektiviteten betydelig og redusere bivirkninger. For eksempel har koordinert behandling med angiotensin-konverterende enzymhemmere (ACEI) vist seg å redusere nattlige blodtrykksparametere mer markert enn ukoordinert behandling med samme legemiddel .
Det har blitt påpekt at post- translasjonsmodifikasjoner i histoner (den såkalte histonkoden ) delvis vil være ansvarlig for den cellulære reguleringen av døgnsykluser. [ 18 ] [ 19 ]