بدن ما از کجا می‌داند که زمان در حال گذر است؟

فرارو- "بئاتریز فلامینی" ورزشکار اسپانیایی در آوریل سال جاری پس از ۵۰۰ روز اقامت در غار در نهایت از آن‌جا خارج شد و نور را دید. حضور داوطلبانه او در غار احتمالا طولانی‌ترین مدت زمانی بوده که یک انسان در زیرزمین و دور از نور خورشید قرار گرفته است.

به گزارش فرارو به نقل از کانورسیشن، فلامینی می‌گوید که در روز شصت و پنجم زندگی در غار  حس زمان را به طور کامل از دست داده بود و شمارش روز‌ها را متوقف کرد. با این وجود، آیا او واقعا می‌تواند مطمئن باشد که روز شصت و پنجم بود؟ برای مقایسه با وضعیت او می‌توان به وضعیت "میشل سیفره" فرانسوی در سال ۱۹۶۵ میلادی اشاره کرد که پس از گذراندن ۳۳ روز از غار اسکاراسون در ایتالیا بیرون آمد. در واقع، او ۵۸ روز را در زیر زمین گذرانده بود.

تیک تاک ساعت‌های زندگی

انسان‌های منزوی چگونه می‌توانند به طور منظم زمان را پیگیری کنند حتی زمانی که ارتباط شان با محیط اطراف‌شان قطع شده است؟ پاسخ بسیار ساده است. ریتم‌های بیولوژیکی در قلب زندگی قرار دارند و آن را از سطح مولکولی تا سطح کل بدن تنظیم می‌کنند. این موضوع نه تنها چرخه خواب و بیداری بلکه دمای بدن، هورمون ها، متابولیسم و سیستم قلبی - عروقی را نیز شامل می‌شود.

این ریتم‌ها از جمله از نظر سلامت عمومی بازتاب زیادی دارند. در واقع، تعدادی از بیماری‌ها اپیزودیک هستند برای مثال، آسم در شب تشدید می‌شود در حالی که حملات قلبی – عروقی عموما در ساعات صبحگاهی رخ می‌دهند. مثال دیگر شیفت‌های کاری و تغییر آن است که ارتباط افراد با محیط شان را قطع می‌کند و می‌تواند با افزایش خطر ابتلا به سرطان در کارکنان مرتبط باشد و سازمان بهداشت جهانی را متقاعد کرده تا آن مورد را به عنوان یک عامل سرطان زای احتمالی معرفی کند.

ریتم‌ها هم‌چنین بر نحوه تعامل ما با گونه‌های دیگر تاثیر می‌گذارند. برای مثال، تریپانوزومیاز آفریقایی یا بیماری خواب نوعی بیماری انگلی در انسان و دیگر حیوانات که از انگل نوع تریپانوزوما به وجود می‌آید باعث ایجاد اختلال در ریتم روزانه‌مان می‌شود که متابولیسم آن نیز مانند ایمنی ما روزانه است.

چرخش زمین، ماه و خورشید چرخه‌های محیطی ایجاد می‌کند که هماهنگ با ساعت‌های بیولوژیکی است. ساعت بیولوژیکی سازوکاری درونی برای موجودات است که در غیاب سیگنال محیطی با فرکانس خاص خود عمل می‌کند. برای مثال، تناوب منظم روز و شب به تکامل ساعت شبانه روزی کمک کرده است.

سازوکار ساعت شبانه روزی برای اولین بار در مگس میوه که به نام مگس سرکه نیز شناخته می‌شود در دهه ۱۹۷۰ میلادی کشف شد. مگس میوه معمولی مدلی عالی برای تجزیه و تحلیل بسیاری از فرآیند‌های رشدی و فیزیولوژیکی مانند ساعت داخلی یا سیستم ایمنی در سطوح مولکولی و سلولی در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد.

این سازوکار براساس بر اساس حلقه‌های بازخورد در رونویسی و ترجمه چندین ژن است: ژن A بیان ژن B را تقویت می‌کند که به نوبه خود از بیان ژن A جلوگیری می‌کند که ایجاد کننده نوسان است. در طول روز، نور از طریق یک گیرنده نوری به نام کریپتوکروم* باعث کاهش عوامل خاصی از حلقه می‌شود. جالب توجه است که عوامل کلیدی در این سازوکار صرفا شامل چند ژن است. با این وجود، نظم دقیق و تنظیم ساعت بر اساس یک شبکه مولکولی و عصبی پیچیده صورت می‌گیرد که زمان و دقت آن را تضمین می‌کند.

هیچ ساعت شبانه روزی واحد و فراگیری وجود ندارد که بتواند کل زندگی را سازماندهی کند، زیرا ژن‌های ساعت از گونه‌ای به گونه دیگر متفاوت است، اما اصل یکسان است: ژن‌هایی که بیان شان در نوسان است. ریتم‌های بیولوژیکی در تمام گونه‌ها (گروه‌های موجودات) که تاکنون مورد مطالعه قرار گرفته توصیف شده‌اند که شامل سیانو باکتری‌ها (نوعی باکتری که انرژی را از طریق فتوسنتز به دست می‌آورند)، قارچ‌ها، گیاهان و حیوانات و هم‌چنین انسان‌ها هستند. علاوه بر این، زمان دهنده‌های مختلف (Zeitgebers) ارگانیسم را با عواملی محیطی آن هماهنگ می‌سازند: نور (که بیش‌ترین مطالعه تا به امروز در این باره صورت گرفه است)، دما و به طور خاص غذا.

یک ساعت داخلی هماهنگ با محیط

یکی از مفاهیم بسیار ملموس این ساعت شبانه روزی مربوط به "جت لگ"* (Jet Lag) است که انحراف ریتم درونی یک فرد از زمان منطقه زمانی می‌باشد که در آن قرار دارد. سیگنال‌های محیطی به طور کلی و نور به طور خاص به همگام‌سازی مجدد فرد کمک می‌کنند: نور درک شده در پایان شب ساعت را به جلو حرکت می‌دهد در حالی که نور درک شده در ابتدای شب آن را به تاخیر می‌اندازد. نور درک شده در طول روز تاثیری ندارد. در انسان نور به طور مستقیم توسط ساعت مولکولی درک نمی‌شود، اما در شبکیه چشم جذب شده و سپس از طریق مسیر شبکیه - هیپوتالاموس به یک ساعت مرکزی منتقل می‌شود جایی که سنتز پروتئین‌های ساعت را تعدیل می‌کند. با این وجود، این سیستم مقایسه‌پذیری بی نهایت ندارد: تقریبا یک روز به طول می‌انجامد تا بدن انسان با اختلاف زمانی یک ساعته سازگار شود.

از آنجایی که دوره شبانه‌روزی ذاتی هوموساپینس (انسان خردمند) به طور میانگین ۲۴.۲ ساعت به طول می‌انجامد برای ما آسان‌تر است که به سمت غرب سفر کنیم و روز‌های خود را طولانی‌تر نماییم تا آن که به شرق سفر کنیم و آن را کوتاه نماییم. هم‌چنین، بدین خاطر است که ورزشکاران  و محققانی که داوطلبانه خود را در اعماق زمین منزوی می‌سازند در نهایت با زمان روی سطح زمین هماهنگ نیستند و روز‌های کم‌تری را نسبت به روز‌های ۲۴ ساعته خورشیدی درک می‌کنند.

زمان‌های دیگر، ساعت‌های دیگر

ساعت شبانه‌روزی تنها سازوکاری نیست که در طبیعت وجود دارد. بسیاری از فرآیند‌های بیولوژیکی فصلی هستند مانند مهاجرت انبوهی از پرندگان و حشرات، تولید مثل و خواب زمستانی بسیاری از گونه‌های جانوری و گلدهی گیاهان. این فصلی بودن به طور کلی توسط چندین عامل تعیین می‌شود از جمله آن چه در مورد بسیاری از گونه‌ها به عنوان ساعت چرخشی شناخته می‌شود. سازوکار این ساعت هنوز مشخص نشده است.

سازوکار‌های ساعت در گونه‌های دریایی نیز تا حدی به دلیل ساختار زمانی پیچیده اقیانوس‌ها ناشناخته است.

نمونه برداری از اعماق اقیانوس همواره یک چالش فنی است: دسترسی به این نقاط عمیق دشوار است چرا که در تاریکی فرو رفته و تحت فشار‌های بسیار بالا قرار دارند. برای کشف آن نیاز به شناور زیردریایی وجود دارد.

موجودات دریایی در معرض چرخه خورشیدی متناوب روز و شب قرار می‌گیرند که بر روی مجموعه‌ای از چرخه ماه قرار می‌گیرد که برجسته‌ترین آن چرخه جزر و مدی (با دوره زمانی ۱۲.۴ ساعت یا ۲۴.۸ ساعت) است. چرخه‌های نیمه قمری و قمری (۱۴.۸ روز / ۲۹.۵ روز) که با فاز‌های ماه مرتبط هستند هم چنین شدت محیط دریایی را از طریق نور و جزر و مد تعدیل می‌کنند. فصول نیز بر این اکوسیستم‌ها تاثیر می‌گذارد.

ساختار زمانی محیط‌های دریایی قابل پیش‌بینی است هر چند پیچیده به نظر می آید اما ریتم‌های بیولوژیکی مرتبط با تمام این چرخه‌ها در گونه‌های دریایی توصیف شده‌اند. برای مثال، بسیاری از مرجان‌ها تولید مثل خود را همزمان می‌کنند و سالی یک بار در مدت زمان بسیار کوتاهی تخم می‌گذارند. برخی از کرم‌های دریایی دقیقا یک بار در ماه در تاریک‌ترین ساعات شب ازدحام کرده و تا پیش از تخم‌ریزی و مرگ رقص تولید مثلی شان را آغاز می‌کنند.

نکته جالب اینجاست که در سال ۲۰۲۰ میلادی تیمی از دانشمندان فاش ساختند که ریتم‌های بیولوژیکی به محیط ساحلی محدود نمی‌شوند. در واقع، ریتم‌هایی در رفتار و بیان ژن در عمق ۱۷۰۰ متری در صدفی که در دریچه‌های گرمابی خط الراس میانی اقیانوس اطلس زندگی می‌کرد مشاهده شده بود.

این موضوع نشان می‌دهد که هماهنگی زمانی در فیزیولوژی حتی در شدیدترین محیط‌های زندگی مانند اعماق اقیانوس احتمالا عنصری حیاتی است. برای مطالعه ریتم‌های بیولوژیکی صدف‌های گرمابی در شرایط واقعی آن‌ها با استفاده از زهپاد* (ROV) نمونه‌برداری شدند و سپس به طور مستقیم در کف اقیانوس در عمق ۱۷۰۰ متری در محلولی که زمان بیولوژیکی آن‌ها را منجمد ساخته بود نگهداری شده بودند. این نمونه‌ها زیر نور قرمز و بسیار دقیق هر ۲ ساعت و ۴ دقیقه و در مجموع ۲۴ ساعت و ۴۸ دقیقه برداشت شدند.

* دسته‌ای از فلاوپروتئین‌ها هستند که به نور آبی حساس هستند. آن‌ها در گیاهان و جانوران یافت می‌شوند. کریپتوکروم‌ها در ریتم ساعت شبانه روزی بیولوژی گیاهان و جانوران و احتمالا در سنجش میدان‌های مغناطیسی در برخی از گونه‌ها نقش دارند.

*جت لگ یا پرواززدگی یک وضعیت فیزیولوژیک است که از تغییرات ریتم شبانه روزی بدن اتفاق می‌افتد و ناشی از مسافرت‌های طولانی (از شرق به غرب یا برعکس) است که در آن تنظیم خواب فرد به علت اختلاف ساعت مبداء با مقصد پرواز به هم می‌ریزد.

*زهپاد یا زیردریایی هدایت پذیر از راه دور وسایلی هستند که از طریق یک کابل به سطح آب (که می‌تواند یک شناور باشد) متصل بوده و کنترل می‏ شوند.