O której godzinie wyjść na siłownię, a o której zacząć efektywną pracę? Kiedy się uczyć, a kiedy relaksować? Podpowiedzi szukajmy w zegarze biologicznym.

Skowronki, sowy i... muszka

Mariusz Karwowski

Dla jednych porą najwyższej aktywności, zarówno fizycznej, jak i psychicznej, jest wczesny ranek. Wstają, biegną na basen, a następnie żwawo udają się w kierunku biura. W tym czasie, gdy „skowronki” analizują już skomplikowane bilanse ekonomiczne, bądź skupiają się nad ważnym projektem, „sowy” jeszcze śpią. Dla nich okresem wytężonej sprawności intelektualnej będzie południe. Dopiero wtedy mogą przystąpić do działania. Taki charakterystyczny podział wśród ludzi funkcjonuje od dawna. I znalazł właśnie potwierdzenie w naukowych badaniach na... muszce owocowej.

Taka muszka, wbrew pozorom, jest bardzo wdzięcznym modelem. Jest tania w utrzymaniu, żyje krótko – średnio cztery tygodnie, niewiele miejsca zajmuje, no... tylko ta wielkość. Trzy milimetry to naprawdę niewiele.

– Żeby zbadać jej mózg, potrzeba ogromnej precyzji. Jest on na tyle skomplikowany, że można zobaczyć, jak odbiera impulsy świetlne, jak reaguje na bodźce wzrokowe i węchowe, jak się uczy, gdzie są ośrodki pamięci i czy ta pamięć jest krótko− czy długotrwała, a nawet jakie zmiany zachodzą z pokolenia na pokolenie. Mnóstwo możliwości – wylicza prof. Elżbieta Pyza z Zakładu Cytologii i Histologii Instytutu Zoologii Uniwersytetu Jagiellońskiego.

OWADY Z SUKCESAMI

Jej fascynacja owadami trwa od dawna. Głównie z powodu sukcesu, jaki odniosły w opanowaniu Ziemi. Są praktycznie wszędzie. I „odwdzięczyły się”, doprowadzając krakowską biolog do przełomowych odkryć.

– Rzeczywiście, tego nikt się nie spodziewał. Nasze badania pokazały, że neurony są strukturami plastycznymi. Ich wielkość, kształt, a nawet liczba połączeń między nimi zmienia się. I odbywa się to w cyklu dobowym. Do tej pory nie sądzono, iż mózg jest plastyczny w tak szybkim tempie i że cały proces odbywa się w sposób cykliczny. Tymczasem właśnie o określonych porach doby neurony tworzą wiele połączeń synaptycznych, a kiedy śpimy – kurczą się i mają mniej wypustek – tłumaczy.

Kolejne obserwacje zachowania muszki owocowej prowadzono z zapartym tchem, jakby czekając na potwierdzenie przypuszczeń. Zauważono, że jeszcze zanim nastanie dzień, muszka wykazuje większą aktywność, zaczyna latać, poszukiwać pokarmu. Do tego, wydawało się, niezbędne jej jednak były bodźce świetlne. Nie widząc niczego, rozbiłaby się na pierwszym napotkanym drzewie. Założono więc, że muszka musi otrzymywać wszystkie informacje z otoczenia. To właśnie zegar biologiczny wskazuje jej, że świt to jest akurat ta pora doby, kiedy można wyruszyć na realizację swoich funkcji życiowych. Pojawiło się od razu pytanie, w jaki sposób ten zegar „uruchamia” muszkę.

– Zbadaliśmy, że to właśnie zegar, zanim jeszcze nastanie dzień, powoduje zmiany morfologiczne w neuronach. Ponieważ komórki nerwowe, jako pierwsze ogniwo, przekazują informacje do innych organów, muszą się one powiększyć, wytworzyć więcej połączeń synaptycznych, po to, żeby muszka zrealizowała cel na dany dzień. Po okresie porannej aktywności zapada w sjestę, aby o zmierzchu znowu się przebudzić, a w nocy ponownie zapaść w sen. I tak jest przez całe życie. Neurony pod wpływem różnych bodźców, czy to dźwiękowych, czy wzrokowych, wysyłają sygnały, żeby przygotować organizm albo do dnia, albo do nocy – wyjaśnia prof. Pyza.

Podobnie dzieje się u człowieka. Nasze komórki nerwowe wykazują zmiany morfologiczne również dwa razy w ciągu doby. Pierwszy okres aktywności przypada na godziny poranne. Około ósmej zdolność koncentracji osiąga swój punkt szczytowy, mózg pracuje na najwyższych obrotach. Spadek sprawności następuje blisko południa – zaczynamy odczuwać znużenie, wydajność umysłu znacznie się obniża. Po szesnastej serce znowu zaczyna pompować więcej krwi, odzyskujemy sprawność fizyczną, wraca energia potrzebna m.in. do intelektualnych zadań. To wtedy właśnie jest najlepszy czas na naukę. A później jeszcze chwila relaksu i po dwudziestej trzeciej w końcu możemy położyć się spać.

– Impulsy, które powstają w neuronach, generowane są przez odpowiednie geny w nich funkcjonujące. Pierwszy z nich, zwany „period”, wykryto właśnie u muszki owocowej. Ich aktywność powoduje cykliczność procesów w organizmie. Tych genów, zwanych genami zegara, jest kilkadziesiąt, z tym że tych kluczowych, regulujących podstawowe funkcje, jest cztery lub pięć. To one decydują o włączeniu pewnych procesów o określonej porze doby i o wyłączeniu – kiedy indziej.

Informacja transmitowana jest do różnych rejonów w mózgu oraz do ośrodków uwalniających hormony. Efekt jest taki, że hormony albo aktywują cały organizm, albo go wyciszają. I tak np. melatonina, która wydziela się, gdy zasypiamy, wyraźnie skorelowana jest z porą wypoczynku u człowieka. Z kolei kortyzol, czyli tzw. hormon stresu, uwalnia się rano.

KORZYSTNA NIEDOKŁADNOŚĆ

Geny zaangażowane w zegar biologiczny, co zrozumiałe, nie u wszystkich są jednakowe. Odpowiednie ich mutacje, podobnie jak zmiana warunków otoczenia, mogą zachwiać stabilnością zegara. U ludzi takie mutacje powodują nagłą niepohamowaną senność albo wręcz przeciwnie – kłopoty ze snem. Osoby, u których zdiagnozowano tzw. rodzinny zespół przyspieszonej fazy snu, odczuwają znużenie już bardzo wczesnym wieczorem. I niezależnie od tego, co by robiły, aby temu zapobiec, senność ogranicza możliwości ich działania. Nie mogą oglądać telewizji, czytać ani podtrzymywać życia rodzinnego.

– Ci ludzie nie są w stanie normalnie funkcjonować ze względu na zmianę genetyczną w genach zegara biologicznego. Problem pojawia się także o trzeciej, czwartej nad ranem, kiedy taka osoba jest już wyspana. Co wtedy robić, żeby nie przeszkadzać innym? To jest prawdziwa uciążliwość.

W badaniach prof. Pyzy okazało się, że na plastyczność mózgu wpływ mają nie tylko neurony. Również tzw. komórki glejowe, których jedyną znaną dotychczas funkcją było odżywianie neuronów, zmieniają swoją wielkość dwa razy w ciągu doby. Znaczyłoby to, że tak naprawdę potrafią one regulować aktywność komórek nerwowych. U muszki owocowej występuje w mózgu dużo komórek glejowych i wydaje się, że są one swego rodzaju stacjami przekaźnikowymi między neuronami zegara biologicznego. Żeby mógł on funkcjonować, konieczna jest synchronizacja tych komórek i za nią właśnie mogą odpowiadać komórki glejowe.

Co ciekawe, zegar biologiczny nie jest precyzyjny i nie potrafi odmierzać dokładnie 24−godzinnych odcinków czasu. Dlatego nie bez powodu określany jest mianem okołodobowego. Ale to akurat działa na jego korzyść.

– Trzeba pamiętać, że jeżeli jakiś mechanizm ma w sobie pewną plastyczność, łatwiej adaptuje się do jakichkolwiek zmian. Organizmy, które tego nie potrafią – giną. Zresztą procesy biologiczne mają taką immanentną cechę, że są nieprzewidywalne i nie da się ich zamknąć w sztywnych ramach, również czasowych. Dlatego niektórzy żyją ponad sto lat, a inni osiemdziesiąt. I w tym mechanizmie zegara biologicznego jest miejsce na takie zmiany – mówi prof. Elżbieta Pyza.

Mogą one być wywoływane choćby warunkami zewnętrznymi. Wprawdzie badania przeprowadzone w latach 60. w bunkrach w Aachen pokazały, że odizolowani od świata ludzie potrafili właściwie odczytywać rytm snu i czuwania, mimo dostarczania im pożywienia o różnych porach dnia, jednak poleganie na samym zegarze kończy się... destabilizacją naturalnego rytmu, jego zachwianiem. Po dłuższym okresie przebywania w takiej izolacji, ludzie mogą bowiem kłaść się spać i wstawać o zupełnie innej porze doby niż ta, która jest na zewnątrz. Środowisko odgrywa więc jednak dużą rolę w funkcjonowaniu zegara. Wskazuje zresztą na to choćby samo jego umiejscowienie – w jądrach nadskrzyżowaniowych podwzgórza. Tam właśnie osadziły się ośrodki zawiadujące czasem.

– Prawdopodobnie wzięło się to stąd, że zegar musiał być w takiej strukturze, która otrzymuje informacje świetlne. Dlatego u ryb i płazów funkcje zegara pełni jeszcze fotoczuła szyszynka, a u ssaków bodźce z zewnątrz muszą dotrzeć przez siatkówkę oka.

Dzięki temu zegar, organizując niejako całą rytmikę procesów w organizmie, synchronizuje swoje funkcjonowanie z otoczeniem. Najbardziej odczuwają to ludzie często podróżujący w inne strefy czasowe. Mimo że o innej porze w stosunku do swego naturalnego stanu zaczynają dzień i noc, to ich zegar po kilku dniach „zgrywa się” z nowymi warunkami.

– Reguła to jedna godzina na jeden dzień adaptacji. Czyli na przykład jeżeli podróżujemy do Nowego Jorku, to adaptacja zajmie nam około tygodnia. Oczywiście, zdarza się, że u jednych może potrwać dłużej, u innych krócej, bo to zależy od indywidualnych cech – wyjaśnia moja rozmówczyni.

Jednak, czy to podróżując, czy intensywnie pracując na miejscu, ciągle odczuwamy niepokojący brak czasu. Zdarza się, że próbujemy „rozciągnąć” dobę, zrobić więcej niż fizycznie się da. W obliczu badań prof. Pyzy pojawia się pytanie, czy taki własny zegar biologiczny można ustawić odpowiednio do potrzeb.

– Nie da się zmienić czegoś, co jest zakodowane w genach. Jeśli nawet próbowalibyśmy stosować na przykład terapię światłem, to będzie to krótkotrwałe. Nie będzie więc takiego efektu, że po miesiącu terapii zegar nagle się przestawi i, dajmy na to, ze „skowronków” staniemy się „sowami”. Zresztą, najlepiej czujemy się właśnie wtedy, gdy nasz zegar przestawiamy jak najrzadziej – twierdzi prof. Pyza.

Podsuwa jednak radę, by spróbować odczytać swój własny rytm biologiczny. Jak to zrobić? Po prostu słuchać organizmu. Wtedy dowiemy się, kiedy lepiej się nam odpoczywa, a kiedy pracuje. I ta wiedza pozwoli na stworzenie właściwego harmonogramu dnia.

– Jeżeli możemy dostosować swoją pracę do naturalnego rytmu snu i czuwania, to wtedy będzie ona najefektywniejsza. Najłatwiej określić to wówczas, gdy nie musimy wstawać na sygnał budzika, czyli na przykład podczas urlopu.

SJESTA A ZEGAR BIOLOGICZNY

Poznanie własnego rytmu funkcjonowania, a później jeszcze zastosowanie tej wiedzy w praktyce, wydaje się jednak dla wielu osób niemożliwe. Reguły rządzące naszym życiem wymuszają pewne zachowania. Nierzadko musimy więc postępować wbrew sobie.

– Naturalną potrzebą jest też popularna na południu Europy sjesta. Taki krótki odpoczynek jest właśnie zgodny z zegarem biologicznym. W tym okresie jesteśmy i tak mniej wydajni. Doskonale to widać u ludzi starszych, bo często kładą się wczesnym popołudniem na drzemkę. I częściej dotyczy to mężczyzn niż kobiet – twierdzi prof. Pyza.

Praca w okresie spadającej aktywności może być również niebezpieczna. W momencie, gdy mózg zaczyna wchodzić w fazę spoczynku, wszystko zaczyna obojętnieć, sprawność działania radykalnie się zmniejsza. Stąd m.in. duża liczba wypadków w nocy, kiedy aktywność intelektualna ludzi spada, podobnie jak wrażliwość na zmiany, jakie zachodzą w otoczeniu. Zachwianie rytmów biologicznych niesie też ze sobą poważne konsekwencje zdrowotne.

– Przy pracy na trzy zmiany ludzie często odczuwają problemy z układem krążenia, pojawiają się kłopoty z przewodem pokarmowym, jest większe prawdopodobieństwo wystąpienia nowotworu. Przez to, że ich aktywność wymuszona jest o zupełnie innej porze doby niż ich możliwości, te osoby cierpią. Fizycznie mogą się nawet dobrze czuć, ale psychicznie – nie najlepiej. Stopniowo wpływa to na narządy wewnętrzne i pojawiają się dolegliwości.

Prawidłowe odczytanie swojego zegara biologicznego pozwala na dokładne rozplanowanie zajęć, tak aby wykonywać je w stanie najwyższej gotowości organizmu. Jeśli nawet nie wszystkich, to przynajmniej tych, na których najbardziej nam zależy. Podejmiemy je dopiero, gdy nadejdzie czas na wykonanie danej czynności. Ale ta wiedza ma też szersze zastosowanie.

– Osoby niewidome z poważnym uszkodzeniem siatkówki mają duży kłopot z rytmem snu i czuwania, a tym samym z synchronizacją wszystkich procesów. Dla nich bardzo ważna jest informacja, jak się zachowywać, aby odczuwać jak najmniejszy dyskomfort z tego powodu, że do zegara biologicznego nie docierają bodźce zewnętrzne, nie wiadomo, kiedy zaczyna się dzień, a kiedy noc.

Na badaniach skorzystają też osoby starsze, u których funkcjonowanie zegara biologicznego zaczyna szwankować. Informacja, która ma dochodzić do wszystkich narządów, jest coraz słabsza, co dezorganizuje pracę całego organizmu.

– Można naprawić to różnymi sposobami: światłoterapią, melatoniną, odpowiednim żywieniem, ćwiczeniami fizycznymi czy w końcu farmakologicznie – podawaniem substancji, które będą odpowiednio synchronizowały rytm zegara – dowodzi prof. Elżbieta Pyza, która za badania nad zegarem biologicznym otrzymała nagrodę PAN.

Ostatnio sporo mówi się też o tym, że ten zegar może mieć duże znaczenie przy zaburzeniach psychicznych. I pomyśleć, że wszystko to odkrywamy dzięki małej, ledwie trzymilimetrowej muszce owocowej.