Jak działają endogenne rytmy biologiczne

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Artykuł poświęcony jest pracy rytmów okołodobowych – endogennych rytmów biologicznych o okresie około 24 godzin, charakterystycznych dla większości organizmów, w tym człowieka. Jest to przegląd najnowszych badań naukowych, a nie zbiór pomocnych wskazówek, mimo że artykuł mówi o potencjalnej zmianie stylu życia. Przegląd ten nie jest wyczerpujący; będziemy go aktualizować w miarę pojawiania się nowych badań naukowych.

Główna rzecz:

→ Spójny i zdrowy rytm dobowy może pomóc w poprawie ogólnego stanu zdrowia, a także w skutecznym zapobieganiu chorobom przewlekłym.

→ Pamiętaj o spaniu: dieta, ćwiczenia i inne czynniki wpływają na działanie rytmu dobowego.

→ Przestudiuj osobliwości pracy rytmów okołodobowych, określ swój „chronotyp”, a następnie zastosuj zdobytą wiedzę do zaleceń metodologicznych wskazanych w badaniach naukowych.

Przed włączeniem jakichkolwiek porad zawartych w tym artykule do swojej codziennej rutyny, skonsultuj się z lekarzem.

Przed przeczytaniem artykułu: krótki słowniczek

1. Dobowy: naturalnie powtarzający się cykl trwający około 24 godziny, niezależnie od długości godzin dziennych; od łacińskiego circa („o”) i diem („dzień”).
2. Czujnik rytmu: sygnał środowiskowy, taki jak zmiana światła lub temperatury; z niemieckiego zeit („czas”) i geber („dawca”).
3. Endogenny: patologiczny proces w ciele spowodowany czynnikami wewnętrznymi, a nie spowodowany wpływami zewnętrznymi (przyczyna pierwotna).
4. Dostosowanie rytmu dobowego: występuje, gdy zadania rytmiczne, fizjologiczne lub behawioralne odpowiadają zmianom w środowisku; interakcja rytmów okołodobowych z otoczeniem.
5. Codziennie: codziennie; z łac. umiera (dzień) i diurnus (codziennie).
6. Zegar główny: para populacji komórek znajdujących się w podwzgórzu, znanym również jako jądro nadskrzyżowaniowe (SCN); Komórki te zawierają geny kontrolujące rytm dobowy.
7. Zmutowany gen: trwała zmiana w sekwencji DNA; używany przez chronobiologów do rozpoznawania mechanizmu genów zegarowych poprzez identyfikację zmutowanego genu u zwierząt z arytmicznym zespołem okołodobowym.

Wyobraź sobie roślinę próbującą fotosyntezy w nocy: krótki dramat w ciemności. „Rośliny radzą sobie z życiem i śmiercią” – mówi ponuro Sally Yu, adiunkt biochemii i biologii komórki na Uniwersytecie Teksańskim w Houston Health Sciences Center (UTHealth). „Jeśli nie będą przestrzegać rytmu dobowego, umrą”. Ale dla osoby prognoza nie będzie tak ponura. „Nawet jeśli usuniesz gen zegara (ważny gen, który reguluje pracę rytmów dobowych), nie umrzesz od razu”, mówi Yu. „Ale będziesz cierpieć”. Prawdopodobne problemy? Uporczywe problemy psychologiczne i między innymi zwiększone ryzyko chorób przewlekłych. Życie jest ciężkie, gdy wszystko nie jest zsynchronizowane.

Kolega Yu, Jake Chen, adiunkt na tym samym wydziale, mówi inaczej: „Często mówimy, że wszystko musi być zrobione zgodnie z harmonogramem. Ale to przesada. Ale wyrażenie „wszystko ma swój czas” nie jest. A to jest bezpośrednio związane z ludzkim ciałem. W każdej komórce, tkance czy narządzie procesy fizjologiczne zachodzą w określonym czasie. Zegar biologiczny jest rodzajem timera - mechanizmu, dzięki któremu możemy upewnić się, że wszystko działa poprawnie. To jest podstawowa funkcja”.

Chen i Yu badają rytmy okołodobowe – biologiczne rytmy ciała z okresem około 24 godzin, po których codziennie śledzą wszystkie żywe istoty na naszej planecie. Rytmy dobowe lub rytmy dobowe są bezpośrednio związane z milionami lat rozwoju życia na naszej planecie. Jest produktem interakcji wewnętrznego zegara biologicznego organizmu i środowiska – nie tylko światła słonecznego, ale wielu innych czynników determinuje zachowanie, reguluje poziom hormonów, sen, temperaturę ciała i metabolizm.

Tak zwany „zegar główny” lub jądro nadskrzyżowaniowe (SCN), zegar główny kontrolujący rytmy dobowe, to para populacji komórek wypełnionych genami (w tym Clock, Npas2, Bmal, Per1, Per2, Per3, Cry1 i Cry2.), znajduje się w podwzgórzu. Na poziomie molekularnym ślady genów zegarowych znajdują się w nerkach, wątrobie, trzustce i innych narządach. SCN działa jako dyrektor generalny instruujący organizm, aby przestrzegał harmonogramu i przetwarzał sygnały środowiskowe. Howard Hughes Medical Institute.)

Jak zobaczymy później, zwracanie uwagi na rytmy dobowe poprawia codzienne (fizjologiczne i psychologiczne) funkcjonowanie organizmu i ostatecznie wpływa na stan zdrowia, zarówno w perspektywie długoterminowej, jak i krótkoterminowej. Dbanie o rytmy dobowe sprawia, że działają, zachowując to, co Sally Yu nazywa „niezawodnym zegarkiem”.

„Nie mogę powiedzieć z całą pewnością, jak ważne są rytmy dobowe w zapobieganiu chorobom przewlekłym, jaki ma to długoterminowy wpływ na zdrowie, czy jest korzystny i ostatecznie wpływa na długość życia”.

Informacje o ekspertach:

Naukowiec: Zheng „Jake” Chen

Wykształcenie: doktorat, Columbia University, Nowy Jork

Stanowisko: adiunkt na Wydziale Biochemii i Biologii Komórki w Centrum Nauk o Zdrowiu Uniwersytetu Teksańskiego w Houston

Ostatnio opublikowany artykuł: Mała cząsteczka Nobiletin działa na oscylator molekularny, aby poprawić rytmy okołodobowe i chronić przed zespołem metabolicznym.

Obszar badań: Sondy małocząsteczkowe dla chronobiologii i medycyny.

Naukowiec: Seung Hee „Sally” Yoo

Wykształcenie: doktor, Koreański Instytut Nauki i Technologii

Stanowisko: profesor nadzwyczajny, Wydział Biochemii i Biologii Komórki, University of Texas Health Sciences Center w Houston

Ostatnio opublikowany artykuł: Period2 3'-UTR i microRNA-24 regulują rytmy okołodobowe poprzez hamowanie akumulacji białka PERIOD2 oraz rozwój i potencjał terapeutyczny drobnocząsteczkowych modulatorów systemów okołodobowych.

Obszar badań: Podstawowe mechanizmy komórkowe w rytmach dobowych oraz rozszyfrowanie fizjologicznych i patologicznych ról zegara.

HISTORIA: GŁÓWNE ETAPY BIOLOGICZNEGO ROZWOJU RYTMÓW DOBOWYCH

Pierwszą rzeczą, jaką należy wiedzieć o badaniu rytmów dobowych (tak robią chronobiologowie), jest to, że z rzadkimi wyjątkami wszystkie organizmy podążają za swoim rytmem dobowym. Od żonkili po wróble, od zebr po ludzi, praktycznie wszystkie żywe organizmy na planecie podążają za cyklem słonecznym. W 1729 roku francuski naukowiec Jean-Jacques de Meran zarejestrował pierwszą obserwację endogennych lub osadzonych dziennych ruchów liści rośliny Mimosa pudica. Nawet w całkowitej ciemności roślina nadal podążała swoim codziennym rytmem. Naukowiec doszedł do wniosku, że roślina polega nie tylko na sygnałach zewnętrznych czy czujniku rytmu, ale także na własnym wewnętrznym zegarze biologicznym.

Chronobiologia rozkwitła dwieście lat później, w połowie XX wieku. Pod wpływem wkładu wielu naukowców, w szczególności Colina Pittendry'ego, „ojca zegara biologicznego”. Pittendry badał muszki owocowe lub Drosophila i rzucił światło na to, jak rytmy dobowe oddziałują lub synchronizują się z cyklem dnia i nocy. Jurgen Aschoff, przyjaciel Pittendry'ego, również badał interakcję z cyklem dnia i nocy, ale naukowcy doszli do różnych wniosków na temat tego, jak zachodzi interakcja (parametryczna i nieparametryczna, więcej na ten temat można przeczytać tutaj i tutaj). John Woodland Hastings i jego koledzy dokonali fundamentalnych odkryć na temat roli światła w rytmach okołodobowych, badając bioluminescencyjne bruzdnice (algi, gatunek planktonu). Botanik Erwin Bunnig wniósł także wkład w podstawowe badania nad modelowaniem interakcji, opisując związek między organizmami a cyklami odcięcia.

Kolejny etap odkryć w chronobiologii połączył specyficzne molekularne i genetyczne mechanizmy pracy rytmów okołodobowych. Wynika to z prac Rona Konopki i Seymoura Benzera, którzy na początku lat 70. starali się zidentyfikować określone geny kontrolujące rytm dobowy muszek owocówek. Konopce i Benzerowi przypisuje się odkrycie zmutowanego genu, który nazwali okresem zaburzającym zegar dobowy muszek owocowych. W ten sposób po raz pierwszy odkryto genetyczny wyznacznik rytmów behawioralnych. Jeffrey S. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young z powodzeniem uzupełnili pracę Konopki i Benzera, pokazując pracę genu okresu na poziomie molekularnym. Hall, Rosbash and Young otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 2017 roku. Wyizolowali gen okresu, a następnie pokazali, jak działa system zegara dziennego na poziomie molekularnym.

Prowadząc badania nad muszkami owocowymi i myszami w 1994 r., Joseph Takahashi i jego zespół odkryli geny zegarowe u ssaków i nazwali je zegarami, opisując je jako „ewolucyjnie zachowaną cechę mechanizmu zegara dobowego”. Odkrycie genu zegara, wraz z pracą Halla, Rosbasha, Younga i naukowca Michaela Greenberga, było przełomowym momentem w chronobiologii. W ciągu kilku lat odkryto geny, które zapewniają pracę rytmów okołodobowych w organizmach niższych.

Nauka stale się rozwija, a wiele badań na muszkach owocowych i myszach wykazało niesamowitą trwałość genów zegarowych u gatunków, co oznacza, że istnieją podobne geny, które kontrolują rytm dobowy w bardziej złożonych organizmach, w tym u ludzi.

„Wschód i zachód słońca nadal są głównymi czynnikami wpływającymi na rytm dobowy, ale inne czynniki są stale monitorowane w badaniach naukowych”.

NAJNOWSZE BADANIA: OKREŚLENIE ROLA RYTMU CYRKADIUM W ZDROWIU I CHOROBACH CZŁOWIEKA

Należy zauważyć, że biologia rytmów okołodobowych jest niezwykle złożona – istnieje wiele czasopism naukowych poświęconych tej dziedzinie badań. W rezultacie nasze zrozumienie roli zegara biologicznego w zdrowiu człowieka jest wynikiem badań epidemiologicznych, a także badań na zwierzętach. Badania na organizmach niższych pomagają ujawnić działanie mechanizmów molekularnych i genetycznych, po czym można zaobserwować, jak np. zaburzenia snu prowadzą do zwiększonego ryzyka cukrzycy typu 2, otyłości i szeregu chorób sercowo-naczyniowych.

Rzeczywiście, jednym z najbardziej obiecujących obszarów badań jest sen. Dzisiejsi naukowcy kojarzą brak snu, a następnie zaburzenie rytmu dobowego z rozwojem otyłości i depresji, a także większości chorób przewlekłych. Badania wykazały, że brak snu może prowadzić do nieoczekiwanych skutków ubocznych, takich jak niemożność rozpoznawania twarzy.

Zrozumienie, jak działają rytmy dobowe, wykroczyło również daleko poza interakcję z cyklem dnia i nocy. „Istnieją wskazówki społeczne, żywieniowe i dotyczące ćwiczeń - są bardzo zróżnicowane”, mówi Y. Wschód i zachód słońca nadal mają duży wpływ na rytmy dobowe, ale badane są inne czynniki. Wiele prac wykazało, że dieta jest kluczowym sygnałem zewnętrznym, który oddziałuje z zegarem wewnętrznym, w tym praca dr Satchidanandy Pandy nad ograniczeniem czasu spożywania posiłków (w jaki sposób czas jedzenia wpływa na zdrowie).

Ogólnie rzecz biorąc, jest teraz jasne, że rytmy okołodobowe odgrywają systemową rolę w organizacji pracy wszystkich fizjologicznych aspektów ludzkiego ciała, w tym pracy ważnych narządów, metabolizmu, odporności, procesów myślowych itp. Praca dr Yu poszerza obszar badań - współpracuje ze specjalistycznym badaniem bólu przewlekłego w celu zbadania rytmów bólu u pacjentów. Trwają również prace nad badaniem roli cyklu odcięcia w zaburzeniach pracy rytmów dobowych (wpływ zmiany stref czasowych na wzrost komórek nowotworowych). Badania takie jak te dostarczają nam ważnych nowych spostrzeżeń, które można wykorzystać do zmiany stylu życia - wiedza o tym, o której godzinie jeść i iść spać, jest ważna dla zdrowia; a w przypadku choroby zdobytą wiedzę można zastosować do poszukiwania leków regulujących pracę rytmów okołodobowych. Naukowcy wciąż mają wiele do zrobienia w prawie wszystkich dziedzinach związanych ze zdrowiem i chorobami.

PODSTAWOWA MYŚL: DLACZEGO WAŻNA JEST WIEDZIEĆ O RYTMACH CYRKADOWYCH?

Świadomość, jak działają rytmy dobowe, może mieć zarówno krótkoterminowe, jak i długoterminowe skutki zdrowotne. „Zmiany stylu życia to najlepszy prezent, jaki możesz sobie podarować”, mówi Chen. „Jeśli zarządzasz swoim stylem życia, technologia i medycyna mogą stać się drugorzędnymi czynnikami przez całe życie”. W krótkim okresie badania na zwierzętach i ludziach pokazują, że styl życia wspierający zdrowy rytm dobowy może wspierać czujność, koordynację ruchową, zdrowie układu krążenia, funkcje odpornościowe, zdrowie jelit, myślenie i sen. Istnieją dowody na poparcie długoterminowego zmniejszenia ryzyka chorób przewlekłych.

„Skutki zmian stylu życia mogą nie być widoczne przez kilka dni, ale z czasem korzyści będą ogromne”.

Jaki styl życia musisz prowadzić, aby zsynchronizować się z rytmem dobowym? Pierwszą rzeczą do zrobienia jest zwrócenie uwagi na swoje biorytmy. Rytmy dobowe, choć zbudowane na tej samej podstawie, różnią się w zależności od osoby ze względu na wiek, różnice genetyczne i środowiskowe. Skowronki bardziej lubią poranek. Sowy wolą noc. Aby z powodzeniem zastosować wiedzę z najnowszych badań naukowych, trzeba zwracać uwagę na naturalne tendencje organizmu („chronotyp”) i nie zapominać, że nie ma jednego uniwersalnego podejścia.

Drugim jest trzymanie się spójnego, rutynowego harmonogramu każdego dnia, siedem dni w tygodniu. Dr Yu mówi o „jet lag” (social jet lag) – kiedy ludzie przerywają swój harmonogram nietypowymi nawykami, takimi jak jedzenie i późniejsze pójście spać, późniejsze wstawanie i ćwiczenia w różne dni tygodnia o różnych porach. Wszystkie te działania mogą prowadzić do takich samych negatywnych konsekwencji, jak zmiana stref czasowych. Im bardziej konsekwentnie stosujesz się do schematu, tym lepiej Twoje ciało Ci w tym pomoże.

Po trzecie – wykorzystując wiedzę uzyskaną z badań naukowych – dane dotyczące odżywiania, snu i ćwiczeń są wyszczególnione poniżej. Wiele zmian stylu życia, które wykazały badania, obejmuje zmiany nawyków żywieniowych – na przykład zjedzenie złego pomysłu przed snem. Jest obarczona negatywnymi konsekwencjami zdrowotnymi. Jedz małe posiłki wcześnie i późno w ciągu dnia, co jest dość łatwe do spróbowania. To samo dotyczy snu - musisz przestrzegać reżimu i spać co najmniej 7-8 godzin. W najgorszym przypadku poczujesz się wypoczęty, a w najlepszym poprawisz swoje perspektywy na zdrowe życie.

Najważniejsze: sen, jedzenie i sport to podstawa zdrowego stylu życia.

ŚNIĆ

Najważniejszą rzeczą, jaką możesz zrobić, jest utrzymanie stałego harmonogramu snu i pobudki oraz wystarczająca ilość snu – 7-9 godzin snu jest uważane za normalne dla osoby dorosłej. Wyniki badań nad deprywacją snu i zaburzeniami snu wskazują, że deprywacja snu i zaburzenia snu negatywnie wpływają na nastrój, koncentrację i są związane z chorobami przewlekłymi. Co więcej, niektórzy naukowcy spekulują, że niedopasowanie dobowe spowodowane przez społeczną zmianę strefy czasowej może być szeroko rozpowszechnione w społeczeństwie zachodnim i przyczyniać się do problemów zdrowotnych.

Więc o której powinieneś iść do łóżka? Zazwyczaj organizm zaczyna produkować melatoninę o 21:00. To jest sygnał - musisz wszystko skończyć i udać się na odpoczynek. Wydzielanie melatoniny kończy się około 7:30 rano, a w ciągu dnia melatonina praktycznie nie występuje w organizmie. Dostosowanie osobistych preferencji w oparciu o naturalne tendencje jest kluczem do uniknięcia zaburzeń snu (takich jak budzenie się podczas snu) i utrzymania optymalnego zdrowia.

I wreszcie światło. Cykl dnia i nocy nie jest jedynym czynnikiem wpływającym na organizm człowieka, ponieważ nieustannie mamy do czynienia ze sztucznym oświetleniem, a mimo to odgrywa on pierwszorzędną rolę. Zapewnienie wystarczającej ilości naturalnego światła wcześnie rano i unikanie nienaturalnego oświetlenia (takiego jak niebieskie światło z ekranu smartfona) wieczorami pomaga utrzymać zdrowy rytm dobowy.

Kluczowe punkty: Wysypiaj się wystarczająco długo i upewnij się, że czas snu i pobudki pozostaje taki sam przez siedem dni w tygodniu. Jeśli jesteś pozbawiony snu, natychmiast zacznij przywracać swój reżim, w przeciwnym razie ryzykujesz narażenie zdrowia na dłuższą metę.

ODŻYWIANIE

Ogólnie rzecz biorąc, badania pokazują, że spożywanie wysokokalorycznych pokarmów jest najlepsze rano. Staraj się spożywać wieczorny posiłek na długo przed snem i mniej kaloryczny. Jeśli możesz zrobić wszystko około 18:00 lub 19:00 i dać swojemu ciału 12-14 godzin na odpoczynek, zobaczysz krótko- i długoterminowe korzyści zdrowotne.

Po części faktem jest, że wewnętrzny zegar wątroby nie działa w nocy. Wątroba przestaje wytwarzać enzymy przekształcające kalorie w energię; zamiast tego wytwarza enzymy do przechowywania energii. Jeśli jesz dużo przed snem, Twoja wątroba jest zmuszona pracować po godzinach i oszczędzasz więcej energii niż zużywasz.

Inną ważną decyzją, którą możesz podjąć (oprócz zdrowego odżywiania się), jest synchronizacja posiłków. Chociaż dane są wciąż ograniczone, badania na zwierzętach i praca dr Pandy sugerują, że „jedzenie ograniczone w czasie” jest łatwą i potencjalnie korzystną zmianą stylu życia. Optymalne rozwiązanie zależy od Twojego celu. Ale jeśli celem jest poprawa ogólnego stanu zdrowia, lepiej zacząć od 8-9 godzin. Ale pod względem długoterminowej zgodności wskazane może być rozpoczęcie od 10-12 godzin.

Kluczowy punkt: Jedz więcej w ciągu dnia, nie przed snem. Aby poprawić swoje zdrowie, zacznij jeść od 10-12 godzin.

SPORT

Podczas gdy niektóre badania pokazują, że szczyt wydolności beztlenowej osiąga się po południu, wśród ekspertów nie ma zgody co do związku między rytmami okołodobowymi a ćwiczeniami – z wyjątkiem obecności zegara molekularnego w mięśniach szkieletowych.

Podobnie jak efekty oświetlenia i pory posiłków, czas ćwiczeń również odgrywa ważną rolę w utrzymaniu zdrowych rytmów dobowych.

Najważniejsze: ćwicz regularnie i zostaw aktywność beztlenową na popołudnie.

WNIOSEK

Badania nad działaniem rytmów dobowych są dość proste.„Twój wewnętrzny zegar jest zaprojektowany tak, aby spalał energię w ciągu dnia i przywracał energię w nocy”, mówi Y. Im lepszy czas, tym mniejsze zużycie zegara dobowego. Chociaż zegar wewnętrzny jest stabilny, konsekwentne zakłócanie reżimu może prowadzić do długotrwałych problemów zdrowotnych.

„Kiedy jesteśmy młodzi, ciało może wiele sobie poradzić” - mówi Yu. „Ale to nie znaczy, że wszystko jest w porządku. To jak zużycie paliwa: zużywasz zbyt dużo energii na czynności arytmiczne, co w przyszłości doprowadzi do problemów z funkcjonowaniem rytmów dobowych.”

Nie skrócisz swojego życia o pięć lat, jedząc późno, ale w Twoim ciele są wyznaczone godziny, aby chronić Twoje zdrowie i zminimalizować zakłócenia w Twojej fizjologii. Bądź dla siebie miły i taktowny, a zobaczysz wynik.