Что такое «биологические часы» или циркадные ритмы?

Циркадные ритмы (лат. circa «около» + dies «день») есть практически у всех живых организмов на планете. Они связаны с 24-часовыми сутками и сменой дня и ночи, которые вызваны вращением Земли вокруг своей оси. Климат может быть разным, а Земля всегда вращается одинаково. Поэтому живые организмы на планете, приспосабливаясь к рассветам и закатам, выработали собственные «внутренние часы». Эти циркадные ритмы регулируют не только режимы сна и бодрствования, от них зависит физическое и эмоциональное состояние человека.

Если внутренние ритмы расходятся с внешними обстоятельствами, в организме происходит диссонанс. Самым очевидным примером такого расхождения является джетлаг (англ. jetlag), после смены часовых поясов организму нужно время, чтобы привыкнуть и адаптироваться под новые условия. Циркадным ритмам подчинены также обмен веществ, выработка гормонов, температура тела, и, как следствие, поведение человека.

Нарушение циркадных ритмов может стать причиной ослабления иммунной системы, появлению сердечно-сосудистых заболеваний и лишнего веса. Ученые, проводившие испытания на мышах, доказали, что если особи, которые ведут ночной образ жизни, едят в светлое время суток, то они набирают веса больше, чем их сородичи, которые потребляют то же количество калорий, но в ночное время. Результаты этого исследования доказывают, что более глубокое понимание циркадных ритмов и их взаимосвязь с функциями организма, поможет найти метод лечения пациентов с ожирением.

Как поясняет Нобелевский комитет, еще в 1970-е годы Сеймур Бензер и Рональд Конопка обнаружили у дрозофил ген, который регулирует их циркадные ритмы, и назвали его period. Однако именно Холл и Росбаш сумели его изолировать и секвенировать (определить аминокислотную или нуклеотидную последовательности [лат. sequentum — последовательность]).

Кроме того, они обнаружили, что белок PER, который кодирует ген period, накапливается ночью и разрушается днем. Таким образом, схема работы «часов» следующая:

PER за ночь накапливается в цитоплазме клетки --> PER проникает в ядро клетки и не дает period работать --> PER начинает разрушаться --> period становится активным и так далее.

Присоединившийся к группе Майкл Янг обнаружил ген TIM, который помогает PER попасть в ядро клетки и третий ген – doubletime, который тормозит накопление PER и настраивает биологические часы.

Выяснилось, что у человека очень похожий механизм регулирование циркадных ритмов.

Что теперь с этим делать?

Механизм, обнаруженный Холлом, Росбашем и Янгом, работает во всех клетках, у которых есть ядро. К слову, все микроорганизмы, кроме бактерий и архей, — ядерные. На самом деле, кроме period, существует много других генов, которые влияют друг на друга и вызывают суточные изменения «часовых» белков. Затем эти белки подают сигнал клеткам, как бы сообщая, какое сейчас время суток и что нужно делать. Это и заставляет идти биологические часы.

Процессы, которые зависят от циркадных ритмов, изучают хронобиологи и сомнологи (специалисты по сну). Специалисты поясняют, что «химические часы» реагируют на внешние раздражители, и прежде всего – на свет.

Процессы, которые зависят от циркадных ритмов, изучают хронобиологи и сомнологи (специалисты по сну). Специалисты поясняют, что «химические часы» реагируют на внешние раздражители, и прежде всего – на свет.

Так, выработка «гормона сна» мелатонина активнее всего происходит в ночное время суток, а искусственное продление светового дня или недостаточно темное помещение для сна ведет к уменьшению его концентрации в организме. Интенсивным выбросом мелатонина в кровь объясняется чувство усталости и вялости в зимнее время года при недостатке солнечного света. Вечером, когда человек ложится спать, часть процессов в организме замедляется, дыхание становится медленнее, мышцы расслабляются, температура тела понижается. А вот мозг продолжает работать, не отвлекаясь на внешние раздражители, он систематизирует информацию, фиксируют воспоминания и анализирует проблемы.

Таким образом, открытие лауреатов не только пролило свет на базовый принцип, необходимый для фундаментальной науки, но и полезно для практической медицины. Изучение циркадных ритмов может помочь в лечении сезонного аффективного расстройства, ожирения, болезней сердца и многих других.