Κιρκάδιος ρυθμός

Ο κιρκάδιος ρυθμός (Αγγλικά: circadian rhythm) είναι μια οποιαδήποτε βιολογική διαδικασία που παρουσιάζει ενδογενή περιοδική μεταβολή στη διάρκεια ενός 24ώρου. Αυτός ο ρυθμός ορίζεται από ένα κιρκάδιο ρολόι κι έχει παρατηρηθεί σε πολλούς ζωντανούς οργανισμούς, όπως σε φυτά, ζώα, μύκητες και κυανοβακτήρια. Παρόλο που οι κιρκάδιοι ρυθμοί είναι ενδογενείς, προσαρμόζονται στο τοπικό περιβάλλον από εξωγενείς παράγοντες, πιο σημαντικός από τους οποίους είναι το φως της ημέρας.

Ετυμολογία

Τον όρο κιρκάδιος δημιούργησε ο Φράντς Χάλμπεργκ τη δεκαετία του 1950. Ο όρος κιρκάδιος προέρχεται από την λατινική φράση «circa diem» που σημαίνει «κατά τον κύκλο, κατά τη διάρκεια μίας ημέρας».

Ιστορία

Μια από τις πρωιμότερες περιγραφές ενός κιρκάδιου ρυθμού χρονολογείται στον 4ο αιώνα π.Χ., όταν ο Ανδροσθένης ο Θάσιος περιέγραψε τις ημερήσιες κινήσεις των φύλλων του ταμάρινθου. Η παρατήρηση ενός κιρκάδιου ρυθμού στους ανθρώπους αναφέρεται σε κινέζικα ιατρικά εγχειρίδια που χρονολογούνται περίπου στον 13ο αιώνα.
Η πρώτη καταγεγραμμένη παρατήρηση ενός ενδογενούς κιρκάδιου ρυθμού έγινε από τον Γάλλο επιστήμονα Jean-Jacques d'Ortous de Mairan το 1729. Παρατήρησε ότι τα 24ωρα μοτίβα στην κίνηση των φύλλων του φυτού μιμόζα εξακολουθούσαν να υπάρχουν, ακόμα κι όταν τα φυτά διατηρούνταν σε συνεχές σκοτάδι.
Το 1896, οι Patrick και Gilbert παρατήρησαν ότι κατά τη διάρκεια μιας παρατεινόμενης περιόδου στέρησης ύπνου, η υπνηλία αυξάνεται και μειώνεται με περίοδο περίπου 24 ωρών. Το 1918, ο J.S. Szymanski έδειξε ότι τα ζώα είναι ικανά να διατηρούν τα 24ωρα μοτίβα δραστηριότητας, ακόμη και σε απουσία εξωγενών παραγόντων, όπως είναι το φως της ημέρας και οι αλλαγές της θερμοκρασίας. Στις αρχές του 20ου αιώνα, οι κιρκάδιοι ρυθμοί έγιναν αντιληπτοί από το γεγονός ότι οι μέλισσες τρέφονται ανά συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα. Εκτεταμένα πειράματα έγιναν από τους Auguste Forel, Ingeborg Beling, και Oskar Wahl για να καταλάβουν εάν αυτός ο ρυθμός ήταν ενδογενής. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970 οι Ron Konopka και Seymour Benzer απομόνωσαν από τη μύγα δροσόφιλα το πρώτο γονίδιο του κιρκάδιου ρολογιού. Όσον αφορά τα θηλαστικά το 1994 ο Joseph Takahashi απομόνωσε από ποντίκια το πρώτο γονίδιο του κιρκάδιου ρολογιού.
Το 2017, ο Jeffrey Hall, ο Michael Rosbash και ο Michael Young τιμήθηκαν με το Νόμπελ Ιατρικής για τις ανακαλύψεις τους πάνω στους μοριακούς μηχανισμούς που είναι ελέγχουν τους κιρκάδιους ρυθμούς.

Προέλευση

Πιστεύεται ότι οι φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες και οι κιρκάδιοι ρυθμοί δημιουργήθηκαν στα πρώτα κύτταρα με σκοπό να προστατέψουν το αντιγραφόμενο DNA από την υπεριώδη ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της ημέρας.
Οι κιρκάδιοι ρυθμοί καθιστούν τους οργανισμούς ικανούς να προσμένουν και να προετοιμάζονται για τις επερχόμενες περιβαλλοντικές αλλαγές. Η ρυθμικότητα είναι σημαντική για τη ρύθμιση και το συντονισμό των εσωτερικών μεταβολικών διεργασιών με το περιβάλλον.
Το απλούστερο γνωστό κιρκάδιο ρολόι είναι αυτό των κυανοβακτηρίων. 
Το ελαττωματικό ανθρώπινο γονίδιο του κιρκάδιου ρολογιού (που είναι ανάλογο με αυτό που βρέθηκε στη μύγα δροσόφιλα) προσδιορίστηκε ως η αιτία ενός συνδρόμου που προκαλεί διαταραχές ύπνου και ονομάζεται οικογενές σύνδρομο προηγμένης φάσης ύπνου (Familial advanced sleep phase syndrome ή FASPS). Υπάρχουν και άλλα γονίδια που εμπλέκονται στη ρύθμιση του κιρκάδιου κύκλου, όμως δεν είναι ακόμη γνωστά.
Πλέον είναι γνωστό ότι το μοριακό κιρκάδιο ρολόι μπορεί να αφορά και ένα μόνο κύτταρο, είναι δηλαδή κυτταρική ιδιότητα.  Ταυτόχρονα, τα διάφορα κύτταρα ενός οργανισμού μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους, δίνοντας έτσι ένα συγχρονισμένο αποτέλεσμα. Το αποτέλεσμα είναι η περιοδική απελευθέρωση διάφορων ορμονών.

O αντίκτυπος της διαταραχής του κιρκάδιου ρυθμού

Μεταλλάξεις ή διαγραφές των υπεύθυνων (για τη λειτουργία του κιρκάδιου κύκλου) γονιδίων σε ποντίκια έχουν δείξει τη σημασία του βιολογικού ρολογιού στην εξασφάλιση του κατάλληλου timing για τις κυτταρικές/μεταβολικές διεργασίες. Τα συγκεκριμένα ποντίκια εμφάνισαν υπερφαγία,  παχύσαρκα και διαταραχή στο μεταβολισμό της γλυκόζης, προδιαθέτοντας για την εμφάνιση διαβήτη.  Ωστόσο, δεν είναι ξεκάθαρο εάν υπάρχει ισχυρή συσχέτιση μεταξύ του πολυμορφισμού των γονιδίων του κιρκάδιου ρολογιού και της προδιάθεσης για εμφάνιση μεταβολικού συνδρόμου.

Ο αντίκτυπος της εναλλαγής μέρας-νύχτας (ή φωτός-σκότους)

Ο κιρκάδιος ρυθμός είναι στενά συνδεδεμένος με τον κύκλο μέρα-νύχτα (ή φως-σκοτάδι). Ζώα, συμπεριλαμβανομένου και του ανθρώπου, τα οποία κρατιούνται σε απόλυτο σκοτάδι για μεγάλα χρονικά διαστήματα, τελικά αναπτύσσουν ένα free-running ρυθμό, ένα ρυθμό δηλαδή που δεν είναι προσαρμοσμένος ούτε στον 24ωρο κύκλο της φύσης, ούτε σε κάποιον άλλο τεχνητό κύκλο. Ο κύκλος ύπνου αυτών των ζώων και εξαρτάται από το εάν η «ημέρα» τους είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη από 24 ώρες. Εντελώς τυφλά θηλαστικά, που ζούνε κάτω από το έδαφος (όπως πχ ο τυφλοπόντικας), έχουν την ικανότητα να διατηρούν τον ενδογενή ρυθμό τους, παρά την απουσία εξωτερικών ερεθισμάτων. Αν και δεν έχουν όραση, διαθέτουν μάτια με φωτοϋποδοχείς (για την ανίχνευση του φωτός), ενώ περιοδικά βγαίνουν και στην επιφάνεια της γης.

Αρκτικά ζώα

Νορβηγοί επιστήμονες του πανεπιστημίου του Tromsø έχουν αποδείξει ότι, μερικά αρκτικά ζώα παρουσιάζουν κιρκάδιους ρυθμούς μόνο μέρες του έτους, όπου υπάρχει ανατολή και δύση του ηλίου σε καθημερινή βάση. Σε μια μελέτη σχετιζόμενη με τους ταράνδους, που ζούνε στον 70ο βόρειο παράλληλο, αποδείχτηκε ότι παρουσιάζουν κιρκάδιους ρυθμούς το φθινόπωρο, το χειμώνα και την άνοιξη, αλλά όχι το καλοκαίρι, ενώ οι τάρανδοι που ζούνε στον 78ο βόρειο παράλληλο παρουσιάζουν τέτοιους ρυθμούς μόνο το φθινόπωρο και την άνοιξη. Οι ερευνητές υποπτεύονται ότι και άλλα ζώα επίσης σταματούν να έχουν κιρκάδιους ρυθμούς υπό την επίδραση της συνεχούς ηλιοφάνειας το καλοκαίρι και της συνεχούς νύχτας το χειμώνα.

Μετανάστευση πεταλούδων

Η πορεία που ακολουθεί η πεταλούδα μονάρχης, κατά τη φθινοπωρινή μετανάστευσή της, υπολογίζεται από μία «ηλιακή πυξίδα» στην κεραία της, η λειτουργία της οποίας βασίζεται σε κιρκάδιο ρολόι.

Η σημασία του ρυθμού στα φυτά

Οι κιρκάδιοι ρυθμοί του φυτού το πληροφορούν για το τι εποχή είναι και για το πότε είναι η καλύτερη περίοδος να ανθίσει, ώστε να προσελκύσει τους επικονιαστές. Συμπεριφορές των φυτών, που προδίδουν την ύπαρξη ρυθμών, είναι η κίνηση των φύλλων, η ανάπτυξη, η βλάστηση, η ανταλλαγή αερίων δια των στομάτων, η φωτοσυνθετική δραστηριότητα, η απελευθέρωση αρωμάτων και πολλές άλλες. Οι κιρκάδιοι ρυθμοί δημιουργούνται ενδογενώς και είναι σχετικά σταθεροί εντός ενός εύρους περιβαλλοντικών θερμοκρασιών. Η πρόβλεψη των περιβαλλοντικών αλλαγών επιτρέπει τις κατάλληλες μεταβολές στη φυσιολογία του φυτού, προσδίδοντας του έτσι ένα προσαρμοστικό πλεονέκτημα. Η καλύτερη κατανόηση των κιρκάδιων ρυθμών των φυτών προσφέρει μεγάλη βοήθεια στη γεωργία.

Το βιολογικό ρολόι στα θηλαστικά

Το κύριο κιρκάδιο ρολόι στα θηλαστικά εντοπίζεται στον υπερχιασματικό πυρήνα του υποθαλάμου. Καταστροφή του πυρήνα αυτού έχει σαν αποτέλεσμα την πλήρη απώλεια του φυσιολογικού κύκλου ύπνου-αφύπνισης. Ο υπερχιασματικός πυρήνας λαμβάνει πληροφορίες για την φωτεινότητα του περιβάλλοντος από τα μάτια. Πιο συγκεκριμένα, ειδικά γαγγλιακά κύτταρα του αμφιβληστροειδή, που περιέχουν τη φωτοχρωστική μελανοψίνη, παράγουν σήματα, τα οποία πορεύονται στην αμφιβληστροειδοϋποθαλαμική οδό και καταλήγουν στον υπερχιασματικό πυρήνα. Από εκεί η πληροφορία μεταβιβάζεται στην επίφυση, η οποία απαντά με την έκκριση της ορμόνης μελατονίνης.

Κύκλοι μεγαλύτερης διάρκειας

Ο Nathaniel Kleitman το 1938 και οι Derk-Jan Dijk & Charles Czeisler τη δεκαετία του 90 πραγματοποίησαν πειράματα, στα οποία υποχρέωναν τους ανθρώπους σε κύκλους ύπνου-αφύπνισης των 28 ωρών. Όσον αφορά τις συνθήκες, υπήρχε συνεχής αμυδρός φωτισμός, ενώ απουσίαζε οτιδήποτε θα μπορούσε να προδώσει στοιχεία του εξωτερικού-φυσικού περιβάλλοντος για πάνω από ένα μήνα. Από τις μελέτες αυτές εξάχθηκαν πολλά χρήσιμα συμπεράσματα.

Ανθρώπινη υγεία

Μια σειρά μελετών έχει δείξει πως, ο ύπνος μικρής διάρκειας κατά τη διάρκεια της ημέρας δεν έχει καμία επίδραση στους κιρκάδιους ρυθμούς, αλλά αντιθέτως μπορεί να αυξήσει την παραγωγικότητα και να μειώσει το άγχος.
Ο συγχρονισμός της ιατρικής θεραπευτικής αγωγής με το βιολογικό ρολόι του ασθενούς μπορεί να αυξήσει την αποτελεσματικότητα και να μειώσει την τοξικότητα και τις ανεπιθύμητες ενέργειες του φαρμάκου.
Είναι να δυνατό να προκύψουν προβλήματα υγείας από τη διαταραχή του κιρκάδιου ρυθμού. Επίσης, οι κιρκάδιοι ρυθμοί παίζουνε ρόλο στο δικτυωτό ενεργοποιητικό σύστημα, που είναι σημαντικό για τη διατήρηση ενός επιπέδου συνείδησης. Η ανατροπή του φυσιολογικού κύκλου ύπνου-αφύπνισης μπορεί να είναι ένδειξη ουραιμίας, αζωθαιμίας ή οξείας νεφρικής ανεπάρκειας.

Πιλότοι

Εξαιτίας της φύσης της εργασίας τους, οι πιλότοι (οι οποίοι μέσα σε μια μέρα μπορεί να διασχίζουν αρκετές ζώνες ώρας και αρκετές περιοχές όπου άλλοτε κυριαρχεί το φως κι άλλοτε το σκοτάδι και μπορεί να ξοδεύουν πολλές ώρες ξυπνητοί, τόσο τη μέρα, όσο και τη νύχτα) συχνά δεν έχουν τη δυνατότητα να διατηρήσουν τα φυσιολογικά μοτίβα ύπνου σύμφωνα με τους ανθρώπινους κιρκάδιους ρυθμούς κι έτσι οδηγούνται στην ανάπτυξη κόπωσης.