Циркадните ритми са
Циркадни (циркадни) ритми
Съдържание
Общи представителства
Циркадните ритми са циклични колебания в интензивността на различни биологични процеси, свързани със смяната на деня и нощта. Въпреки връзката с външните стимули, циркадните ритми са ендогенни по произход, като по този начин представляват "вътрешния часовник" на тялото. Циркадните ритми присъстват в организми като водорасли, гъби, растения и животни. Периодът на циркадните ритми обикновено е близо до 24 часа.
История на откритията
За първи път Андростен, който описва кампаниите на Александър Велики, споменава промяната в позицията на листата на финиковото дърво „Tamarindus indicus“ през деня. В съвремието, през 1729 г., френският астроном дьо Мейрен съобщава за ежедневните движения на листата на растенията ''Mimosa pundica''. Тези движения се повтарят с определена периодичност, дори ако растенията са поставени в тъмнина, където няма такива външни стимули като светлина, което позволява да се предположи ендогенният произход на биологичните ритми, към които са пригодени движенията на листата на растението. De Meyren предположи, че тези ритми може да имат нещо общо с редуването на сън и бодърстване при хората. De Condolle през 1832 г. определя, че периодът, с който растенията мимоза извършват тези движения на листата, е по-кратък от продължителността на деня и е приблизително 22-23 часа. През 1880 г. Чарлз Дарвин и неговият син Франсис предложиха наследствената природа на циркадните ритми. Предположението за наследствения характер на циркадните ритми беше окончателно потвърдено от експерименти, по време на които бяха кръстосани бобови растения, чиито периоди на циркадните ритми се различаваха. При хибридите продължителността на периода се различава от продължителността на периода при двамата родители. Ендогенният характер на циркадните ритми е билокончателно потвърдено през 1984 г. по време на експерименти с "Neurospora crassa", проведени в космоса. Тези експерименти показаха независимостта на циркадните ритми от геофизичните сигнали, свързани с въртенето на земята около нейната ос.
Циркадни ритми на растенията
Циркадните ритми на растенията са свързани със смяната на деня и нощта и са важни за адаптирането на растенията към ежедневните колебания в параметри като температура, осветление и влажност. Растенията съществуват в постоянно променящ се свят, така че циркадните ритми са важни за растенията, за да реагират по подходящ начин на абиотичния стрес. Промяната на позицията на листата през деня е само един от малкото ритмични процеси в растенията. През деня такива параметри като активността на ензимите, интензивността на газообмена и фотосинтетичната активност варират.
Фитохромната система играе роля в способността на растенията да разпознават редуването на деня и нощта. Пример за действие на такава система е ритъмът на цъфтеж на растението Pharbitis nil. Цъфтежът на това растение зависи от продължителността на дневните часове: ако денят е по-кратък от определен интервал, тогава растението цъфти, ако расте по-дълго. През деня условията на осветеност се променят поради факта, че слънцето е под различни ъгли спрямо хоризонта и съответно се променя спектралният състав на светлината, който се възприема от различни фитохроми, които се възбуждат от светлина с различна дължина на вълната. Така че вечер има много далечни червени лъчи в спектъра, които активират само фитохром А, давайки на растението сигнал, че нощта наближава. След като получи този сигнал, заводът предприема съответните мерки. Значението на фитохромите за температурна адаптация беше изяснено по време на експерименти с трансгенни трепетлики ‘’Populus tremula’’, при които производството на фитохром А беше увеличено. Растенията постоянно „усещаха“, че теполучават светлина с висок интензитет и по този начин не могат да се адаптират към дневните температурни колебания и страдат от нощни студове.
При изследването на циркадните ритми в Arabidopsis също беше показана фотопериодичността на работата на три гена CO, FKF1 и G1. Генът constans участва в определянето на времето за цъфтеж. Синтезът на CO генния продукт се задейства от комплекс от FKF1 и G1 протеини. В този комплекс FKF1 генният продукт играе ролята на фоторецептор. Синтезът на СО протеин започва 4 часа след началото на осветяването и спира на тъмно. Синтезираният протеин се разрушава през нощта и по този начин концентрацията на протеин, необходима за цъфтежа на растението, се достига само в условията на дълъг летен ден.
Циркадни ритми при животните
Почти всички животни адаптират своите физиологични и поведенчески процеси към ежедневните колебания в абиотичните параметри. Пример за циркаден ритъм при животните е цикълът сън-бодърстване. Хората и другите животни имат вътрешен часовник, който работи дори при липса на външни стимули, които могат да предоставят информация за времето от деня. Изследването на молекулярно-биологичната природа на тези часовници започва преди около 30 години. Конопка и Бензер от Калифорнийския технологичен институт откриха три мутантни линии плодови мухи, чиито циркадни ритми се различават от тези на дивия тип мухи. Допълнителен анализ показа, че при мутантите мутациите засягат алелите на един локус, който е наречен от изследователите на (от период). При липса на нормални сигнали от околната среда, периодът на циркадианна активност при мухи от див тип е 24 часа, при per-s мутанти 19 часа, при per-1 мутанти 29 часа, а при per-0 мутанти изобщо не се наблюдава ритъм. Впоследствие се установява, че продуктите на гените perприсъства в много клетки на Drosophila, участващи в производството на циркадния ритъм на насекомото. Освен това при мухи от див тип се наблюдават циркадни флуктуации в количеството per mRNA и Per протеин, докато при мухи без циркаден ритъм такава циклична експресия не се наблюдава.
Циркадните ритми и цикълът сън-събуждане при хората
Периодите на сън и бодърстване при човек се заменят с циркадна периодичност. Когато изучавахме връзката между честотата на съня и бодърстването и външните стимули, изследвахме промяната в продължителността на периода на тези трептения при хората. При липса на такива стимули като светлина, която позволява на човек да прецени времето на деня, субектите все още си лягат и се събуждат в обичайното време; по този начин периодът на ритъма на сън-бодърстване не се променя и за известно време остава равен на 24 часа, въпреки че след известно време се увеличава до 26 часа. Когато субектите се върнаха към нормални условия, 24-часовият цикъл беше възстановен. Така хората и много други животни имат вътрешен часовник, който работи дори при липса на външни сигнали. Един от най-често срещаните външни сигнали е светлината. При хората рецепторите, разположени в ретината, реагират на светлина и изпращат сигнал до супрахиазматичното ядро. По-нататъшното разпространение на сигнала води до производството на хормони, които регулират циркадната активност на тялото. В същото време обаче такива органи като сърцето, черния дроб, бъбреците имат свой собствен „вътрешен часовник“ и могат да излязат от ритъма, зададен от супрахиазматичното ядро. Сигнал, изпратен до епифизната жлеза, предизвиква синтеза и освобождаването в кръвния поток на индуциращия съня неврохормон мелатонин (N-ацетил-5-метокситриптамин). Възрастните хора отделят по-малко мелатонин, което вероятно обяснява защо.възрастните хора са по-склонни да страдат от безсъние. Повечето изследователи смятат, че супрахиазматичното ядро е отговорно за циркадните ритми и за колебанията в параметрите, свързани с цикъла сън-събуждане, като телесна температура, налягане и производство на урина.
Болести, свързани с нарушения на циркадния ритъм
При възрастни, по време на сън, производството на урина намалява поради повишаване на съдържанието на антидиуретичен хормон в кръвта. При някои деца и възрастни, при които цикличността на колебанията в съдържанието на вазопресин е нарушена, следователно не се наблюдава намаляване на производството на урина през нощта, което води до неконтролирано уриниране. Такова заболяване като фатална наследствена безсъние е фатално и е свързано с вродени дефекти в невроните на супрахиазматичното ядро. Любопитно е, че подобни симптоми се появяват при болестта на Кройцфелд-Якоб, когато са засегнати клетки от едно и също супрахиазматично ядро.