Jak zwierzęta „mierzą” czas?
Zegar biologiczny to inaczej wewnętrzny oscylator dostarczający organizmowi informacji pozwalających na ciągły pomiar czasu. „Podobnie jak wahadło spotykane w starych zegarach, samodzielny »ruch wahadłowy« zegarów biologicznych pozwala organizmowi adekwatnie dostosowywać swoją fizjologię i zachowanie”, wyjaśnia Joerg Albert, koordynator projektu Clock Mechanics, który prowadzi badania na University College London w Zjednoczonym Królestwie (obecnie także na Uniwersytecie Carla von Ossietzky'ego w Oldenburgu w Niemczech). „Może to być pora dnia (rytm dobowy) lub czas po jedzeniu (zegar metaboliczny), a nawet stan pływów morskich (zegar pływowy)”. Co ważne, zegary te muszą być ustawione na właściwy czas, aby nadążać za zmianami zachodzącymi w środowisku zewnętrznym. Ze względu na to większość zegarów biologicznych cechuje się zdolnościami sensorycznymi. Na przykład są one wyczulone na światło (jest dzień czy noc?), temperaturę otoczenia (jest gorąco czy zimno?) lub zewnętrzny hałas (jest cicho czy głośno?). „Istnieje wiele biologicznie istotnych rytmów – czas karmienia, okres godowy, pora snu – stąd istnieje też wiele różnych zegarów biologicznych”, mówi Albert. „Wszystkie te zegary odbierają różne rodzaje informacji i wyczuwają bodźce z różnych części otoczenia. Wszystkie te informacje są w określony sposób łączone i uwzględniane przez organizm”.
Nowe podejścia molekularne i chemiczne
Celem projektu Clock Mechanics, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN), było lepsze zrozumienie mechanizmów pozwalających na integrację tych wszystkich informacji. „Skupiliśmy się na interakcjach między systemami dobowymi i mechanosensorycznymi, takimi jak czułki różnych owadów, muszek owocowych i komarów przenoszących choroby”, dodaje Albert. „Chcieliśmy dowiedzieć się, w jaki sposób rytm dobowy wpływa na czucie somatyczne i jak systemy mechanosensoryczne pomagają w pomiarze czasu biologicznego”. W tym celu Albert i jego zespół opracowali nowe metody molekularne, behawioralne i biofizyczne, a następnie odpowiednio je dostosowali do potrzeb swoich badań. Dodatkowo przeprowadzili ukierunkowaną analizę ubytku słuchu związanego z wiekiem u muszki owocowej.
Rytm dobowy a słuch
W ramach projektu dokonano szeregu interesujących odkryć dotyczących wzajemnych powiązań między systemami dobowymi a słuchem. „Na przykład u komarów zmiany w tonie lotu wpływają na zmiany wrażliwości słuchowej u samców”, wyjaśnia. „Ta właściwość pomaga przygotować ich słuch na czas rojów godowych, które tworzą się o zmierzchu”. Podobnie jest w przypadku muszki owocowej, u której dobowe modulacje kluczowych genów regulatorowych pośredniczą w zmianach wrażliwości słuchowej, pomagając samcom i samicom przygotować się na czas godów przypadający o świcie. „Na poziomie podstawowych badań naukowych nasz projekt pomógł również wykazać, w jaki sposób system dobowy wpływa na percepcję zmysłową”, dodaje. „Może to pomóc w opracowaniu nowych metod walki z komarami, ponieważ bez zmysłu słuchu żaden komar nie jest w stanie się rozmnażać”.
Synchronizacja zachowania z otoczeniem
Zdaniem Alberta te odkrycia mogą pewnego dnia pomóc naukowcom w opracowaniu nowych sposobów przeciwdziałania i zapobiegania utracie słuchu. Innym aspektem, który ma znaczenie w przypadku zegarów biologicznych zarówno ludzi jak i komarów, jest fakt, że konflikty sensoryczne – niedopasowanie dwóch bodźców koordynujących czas – mogą mieć dramatyczny wpływ na całe organizmy. „Taki »dług czasowy« między różnymi zegarami biologicznymi może prowadzić do zmian patologicznych w organizmie”, twierdzi Albert. „To odkrycie doprowadziło do powstania nowej gałęzi medycyny zwanej chronomedycyną, której zakres i znaczenie niewątpliwie będzie się w najbliższej przyszłości zwiększać”. W opinii Alberta projekt Clock Mechanics otwiera drzwi do szeregu nowych możliwości badawczych. „Realizacja projektu zrodziła wiele pytań, nad którymi warto się pochylić, a co więcej, dostarczyła także nowych narzędzi pozwalających na znalezienie odpowiedzi”, zauważa. Spróbujemy dowiedzieć się na przykład, w jaki sposób określone systemy sensoryczne są optymalizowane pod kątem określonych pór dnia i jak – na poziomie ogólnym – zwierzęta koordynują w czasie swoje zachowanie z warunkami zewnętrznymi”.
Słowa kluczowe
Clock Mechanics, biologiczny, dobowy, chronomedycyna, metaboliczny, komar, mechanosensoryczny
