Śpij, jedz i ruszaj się zgodnie ze swoim rytmem okołodobowym. Satchin Panda
resetuje się i znów zaczyna wytwarzać lód, póki wiaderko się nie zapełni. A ponieważ „gen per” maszyny do lodu jest niezmienny, liczba kostek wytwarzanych każdego dnia również jest taka sama – podobnie jak nie zmienia się czas potrzebny na wyprodukowanie kostek i opróżnienie przez nas wiaderka. Okres ten uważamy za pojedynczy cykl. Jeśli cykl ten trwa 24 godziny, rozumiemy go jako zegar okołodobowy.
Gdyby każda kostkarka przez cały czas działała idealnie, wszyscy żylibyśmy według tych samych codziennych rytmów. Problem polega jednak na tym, że to, jak dbasz o maszynę do lodu, wpływa na jej funkcjonowanie. Jeśli wybierasz tylko kilka kostek lodu dziennie, proces produkcji kostek koniecznych do zapełnienia całego wiaderka zajmie mniej czasu. Jeśli natomiast o późnej porze będziesz chciał się napić margarity i opróżnisz wiaderko w nocy, gdy kostkarka wytwarza właśnie świeże kostki, to zabraknie jej czasu, by do rana napełnić wiaderko ponownie. Tak właśnie zaburzasz rytm okołodobowy, czuwając w jasnym świetle lub śpiąc długo w ciągu dnia.
Inny problem pojawia się wtedy, gdy twoja maszyna do lodu jest uszkodzona: to odpowiada mutacji. Jeśli kostkarka ma zmutowany „gen per”, może wytwarzać lód za szybko albo za wolno. Czujnik wyłączający maszynę może być wadliwy, przez co kostkarka wyłączy się, gdy wiaderko będzie napełnione zaledwie do polowy, albo będzie produkowała za dużo kostek, przepełniając pojemnik. Uszkodzenie maszyny wpływa więc na to, jak długo trwa codzienne wytwarzanie i kompletne zużywanie kolejnych porcji kostek lodu.
Każdy narząd ma swój zegar
Naukowcy uznali nieomal za pewnik, że do kontroli całego organizmu potrzebny jest tylko jeden zegar i założyli, że znajduje się on w mózgu. Tymczasem przekonanie to obalił eksperyment przeprowadzony przez pewnego doktoranta. Jeff Plautz, który wyprzedzał mnie o zaledwie kilka lat na studiach doktoranckich, zaopatrzył geny per muszek owocówek w znaczniki fluorescencyjne. Muszki te, jeśli miały wystarczająco dużo pożywienia i wody, rozświetlały się na zielono i przygasały w dwudziestoczterogodzinnym rytmie, nawet w zupełnie ciemnym pomieszczeniu. Pewnego dnia Plautz sprzątał w laboratorium i postanowił rozczłonkować kilka żywych muszek, by użyć części ich ciała – skrzydełek, czułków, aparatów gębowych, odnóży, odwłoka i tak dalej – w innym doświadczeniu. Słyszał bowiem, że nawet po pokrojeniu muszki poszczególne jej narządy mogą żyć jeszcze przez kilka dni. Następnie wyjechał na urlop do Las Vegas. Gdy wrócił po tygodniu i wszedł do zaciemnionego laboratorium, spostrzegł, że czułki, odnóża, skrzydełka i odwłoki – zupełnie oddzielone od głowy – nadal żarzyły się w idealnym rytmie, zupełnie tak samo, jak robiłaby to cała muszka. A zatem narządy nie muszą mieć połączenia z głową, by świecić i przygasać w cyklu 24 godzin. Eksperyment ten dowiódł, że każdy narząd w ciele zwierzęcia ma swój własny zegar, który do funkcjonowania nie potrzebuje instrukcji od mózgu. Czasopismo „Science” okrzyknęło odkrycie Plautza jednym z dziesięciu najważniejszych przełomów w nauce w 1997 roku.
Wyobraź sobie, że ludzkie ciało jest jak dom, każdy jego narząd to inne pomieszczenie, a w każdym pomieszczeniu znajduje się zegar. Zegar w sypialni mówi ci, kiedy iść spać, a kiedy wstać. Zegar w gabinecie – kiedy powinieneś pracować. Zegar w kuchni – kiedy jest pora na jedzenie, a zegar w łazience… No, sam wiesz. Dziś już wiemy, że zegar w układzie pokarmowym ustala, kiedy należy wytwarzać hormony odpowiedzialne za uczucie głodu i sytości oraz soki trawienne potrzebne do rozkładu pożywienia, skłania bakterie wchodzące w skład mikroflory jelitowej, by wykonywały swoją pracę, i kontroluje usuwanie stolca przez okrężnicę. Zegar w trzustce decyduje, kiedy należy wytworzyć więcej insuliny, kiedy zaś mniej. Podobnie robią zegary w mięśniach, wątrobie czy tkance tłuszczowej, którą gromadzimy – wykonują przydzielone im zadania, regulując funkcjonowanie danego narządu czy tkanki.
Postanowiłem pójść o krok dalej w swoich badaniach nad zegarem okołodobowym i postawiłem sobie pytanie: Jak w kontekście działania zegarów w mózgu ma się monitorowanie snu do kontroli metabolizmu w wątrobie? Podczas gdy inni badacze skupiali się na tym, w jaki sposób tuzin genów zegarowych włącza się i wyłącza o różnych porach doby w mózgu i wątrobie, ja chciałem, żeby mój zespół wypłynął na szerokie wody i przetestował, jak 20 tysięcy genów w naszym genomie włącza się i wyłącza o różnych porach i w różnych narządach. Rozpoczęliśmy realizację tego projektu w 2002 roku2, używając bardzo nowoczesnej technologii genomicznej; prace wciąż trwają, a badania stają się coraz bardziej wyrafinowane – ale dzięki nim dowiedzieliśmy się już, że w każdym narządzie tysiące genów ulegają aktywacji i dezaktywacji o różnych porach doby, i to w sposób zsynchronizowany.
Każdy gen w naszym genomie ma swój cykl okołodobowy. Nie znaczy to jednak, że wszystkie cykle są jednakowe. Niektóre geny działają tylko w jednym narządzie. Oznacza to, że w każdej tkance ludzkiego ciała ukryty jest genetyczny kod zegarowy. I choć każda komórka naszego organizmu zawiera pełen genom, podczas owych badań zapoczątkowanych w 2002 roku odkryliśmy na przykład, że do 20% wszystkich genów może być włączonych lub wyłączonych o różnych porach doby; pamiętaj, że nie może być tak, iż wszystkie funkcje biologiczne są aktywne jednocześnie. Co jeszcze ciekawsze, te 20% genów, które przez określony czas są wyłączone w mózgu, to nie te same geny, które są wówczas wyłączone w wątrobie, sercu czy mięśniach. Szczegółowa wiedza o funkcjonowaniu genów w czasie pozwoliła nam pojąć, jak rytm okołodobowy reguluje działanie komórek.
Spójrzmy zatem, jakie typy aktywności na poziomie komórkowym odbywają się w sposób cykliczny:
Szlaki sygnałowe zależne od poziomu składników odżywczych i energii – a więc komórkowe mechanizmy sygnalizacji głodu i sytości – działają w rytmie okołodobowym. Analogicznie do całego organizmu, który czuje się głodny, gdy wyczerpuje się łatwo dostępna energia, a ma uczucie sytości, gdy spożyjemy posiłek i nie bywa szczególnie głodny nocą – tak samo każda komórka w każdym narządzie dysponuje mechanizmem, który wywołuje uczucie głodu i otwiera „drzwi”, by wpuścić składniki odżywcze, a gdy komórka już się nasyci, zamyka te drzwi, aby się nie przepełnić. Dzieje się to za dnia.
Szlak sygnałowy przemiany materii działa w rytmie okołodobowym, wpływając na funkcjonowanie komórek i metabolizm kluczowych składników odżywczych. Wykorzystywanie i magazynowanie węglowodanów, tłuszczów czy białek nie jest procesem ciągłym. Gdy cukier wchłaniany jest z krwi i przekształcany w tłuszcz lub glikogen do wykorzystania w przyszłości, funkcja rozkładu tłuszczu w naszym organizmie jest wyłączana. Spalanie tłuszczu aktywuje się ponownie wówczas, gdy zabraknie cukru.
Procesy życiowe komórki działają w rytmie okołodobowym. Każda reakcja chemiczna, szczególnie ta, podczas której komórka produkuje energię, powoduje bałagan w postaci tak zwanych reaktywnych form tlenu. Przypomina to tłusty brud gromadzący się w kuchni lub oleiste opary nad gorącą patelnią. By uporać się z kuchennym bałaganem, włączamy okap i zakładamy fartuch. Komórki także mają uruchamiany czasowo mechanizm, dzięki któremu mogą po sobie posprzątać – włączając w to procesy detoksykacji.
Procesy naprawy i podziału komórki działają w rytmie okołodobowym. Nasze ciało codziennie podlega procesom naprawy i odnowy. Instalacja hydrauliczna w naszym domu z biegiem czasu zużywa się i zaczyna przeciekać; na podobnej zasadzie działają setki kilometrów naczyń krwionośnych, które codziennie muszą być sprawdzane pod względem szczelności i reperowane. Również śluzówka jelit i skóra potrzebują codziennych napraw, by do organizmu nie przedostały się bakterie, substancje chemiczne czy toksyny. Wewnątrz każdego narządu wiele komórek umiera i muszą one zostać usunięte. Komórki krwi też trzeba wymieniać. Produkowanie komórek zamiennych potrzebnych do naprawy uszkodzeń nie odbywa się w sposób przypadkowy, ale o konkretnej porze doby, a mianowicie w nocy, gdy śpimy.
Komunikacja na poziomie komórkowym działa w rytmie okołodobowym. Nasze narządy muszą się porozumiewać, a czynią to w określonym cyklu. Na przykład gdy