ریتم شبانه روزی (Circadian rhythm)

یک ریتم شبانه روزی ()، که به عنوان چرخه شبانه روزی نیز شناخته می شود، نشان دهنده یک نوسان طبیعی است که تقریباً هر 24 ساعت یکبار تکرار می شود. این ریتم ها شامل هر فرآیند بیولوژیکی درون زا می شود که متعاقباً توسط نشانه های محیطی ایجاد می شود. ساعت شبانه‌روزی این ریتم‌ها را تنظیم می‌کند، در درجه اول فرآیندهای بیولوژیکی را هماهنگ می‌کند تا در زمان‌های بهینه اتفاق بیفتد، در نتیجه تناسب اندام فرد را به حداکثر می‌رساند. مشاهدات گسترده وجود ریتم‌های شبانه‌روزی را در حیوانات، گیاهان، قارچ‌ها و سیانوباکتری‌ها تأیید می‌کند، با شواهدی که منشأ تکاملی مستقل را در سراسر این پادشاهی‌های متمایز حیات نشان می‌دهد.

یک ریتم شبانه روزی ()، یا چرخه شبانه روزی، یک نوسان طبیعی است که تقریباً هر 24 ساعت تکرار می شود. ریتم‌های شبانه‌روزی می‌توانند به هر فرآیندی اشاره داشته باشند که از درون یک ارگانیسم سرچشمه می‌گیرد (یعنی درون‌زا) و به محیط پاسخ می‌دهد (توسط محیط ایجاد می‌شود). ریتم‌های شبانه‌روزی توسط یک ساعت شبانه‌روزی تنظیم می‌شوند که وظیفه اصلی آن هماهنگ کردن ریتمیک فرآیندهای بیولوژیکی است تا در زمان مناسب برای به حداکثر رساندن تناسب اندام یک فرد اتفاق بیفتد. ریتم های شبانه روزی به طور گسترده ای در حیوانات، گیاهان، قارچ ها و سیانوباکتری ها مشاهده شده است و شواهدی وجود دارد که نشان می دهد آنها به طور مستقل در هر یک از این پادشاهی های زندگی تکامل یافته اند.

ریشه شناسی اصطلاح circadian از کلمات لاتین circaound، circaound,circaounddies، به معنی "روز". در حالی که فرآیندهایی که چرخه‌های 24 ساعته را نشان می‌دهند به طور کلی ریتم‌های روزانه نامیده می‌شوند، این نامگذاری تنها در صورتی باید برای ریتم‌های شبانه‌روزی اعمال شود که ماهیت درون‌زای آن‌ها، به‌جای پاسخ‌دهی صرف به محیط، به طور قطعی مشخص شود.

علی‌رغم منشأ درون‌زای آن‌ها، ریتم‌های هم‌زمان شبانه‌روزی آن‌ها به‌عنوان منشأ درون‌زای آن‌ها به‌عنوان ریتم‌های هم‌زمان محلی شناخته می‌شوند. (برگرفته از Zeitgeber آلمانی (آلمانی: [ˈtsaɪtˌɡeːbɐ]؛ روشن.'زمان دهنده'))، مانند چرخه نور، دما، و ردوکس. از نظر بالینی، ریتم شبانه روزی ناهنجار در انسان به عنوان اختلال خواب ریتم شبانه روزی تشخیص داده می شود.

تاریخچه

اولین مشاهدات مستند از یک فرآیند شبانه روزی به تئوفراستوس در قرن چهارم قبل از میلاد نسبت داده شده است، احتمالاً بر اساس گزارش های آندروستنس، ناخدای کشتی در زمان اسکندر مقدونی. تئوفراستوس در رساله خود، «Περὶ φυτῶν ἱστορία» (یا «تحقیق در گیاهان») توضیح داد: «درختی با برگ‌های فراوان مانند گل رز، که در شب بسته می‌شود، با طلوع آفتاب باز می‌شود، تا ظهر کاملاً باز می‌شود، و به تدریج دوباره در عصر بسته می‌شود، و در شب بسته می‌ماند؛ ساکنان محلی این را به عنوان درخت توصیف می‌کنند». این درخت متعاقباً توسط گیاه‌شناس H. Bretzl در انتشارات خود در مورد اکتشافات گیاه‌شناسی از لشکرکشی‌های اسکندریه به عنوان تمر هندی شناخته شد.

اشارات به فرآیندهای شبانه‌روزی یا روزانه در انسان در متون پزشکی چینی تقریباً از قرن سیزدهم، به‌ویژه در Noon and Midnight Rh. انتخاب نقاط Acu با توجه به چرخه روزانه، روز ماه و فصل سال.

در سال 1729، دانشمند فرانسوی ژان ژاک d'Ortous de Mairan آزمایش افتتاحیه ای را با هدف تمایز ساعت بیولوژیکی درون زا از پاسخ به محرک های محیطی روزانه انجام داد. او مشاهده کرد که الگوهای حرکت 24 ساعته برگ گیاه Mimosa pudica حتی زمانی که گیاهان در تاریکی همیشگی نگهداری می شدند ادامه داشت.

در سال 1896، پاتریک و گیلبرت مستند کردند که در طول مدت طولانی محرومیت از خواب، احساس خواب آلودگی نوساناتی را با دوره 24-hour به نمایش می گذارد. J. S. Szymanski در سال 1918 نشان داد که حیوانات می توانند الگوهای فعالیت 24 ساعته را حتی بدون نشانه های بیرونی مانند تغییرات نور و دما حفظ کنند.

در اوایل قرن بیستم، ریتم های شبانه روزی از طریق رفتارهای تغذیه ریتمیک زنبورها شناسایی شد. آگوست فورل، اینگبورگ بلینگ و اسکار وال آزمایش‌های گسترده‌ای انجام دادند تا مشخص کنند که آیا این ریتم از یک ساعت درون‌زا سرچشمه می‌گیرد یا خیر. وجود ریتم شبانه روزی در مگس میوه به طور مستقل در سال 1935 توسط جانورشناسان آلمانی هانس کالموس و اروین بونینگ مشخص شد.

در سال 1954، یک آزمایش محوری توسط کالین پیتندریگ نشان داد که بسته شدن (دگردیسی یک شفیره به یک بالغ) در Drosophila pseudoobscura یک رفتار شبانه روزی را تشکیل می دهد. یافته‌های او نشان داد که اگرچه دما برای ریتم انسداد بسیار مهم است، اما کاهش دما دوره انسداد را به تأخیر انداخت، اما لغو نشد.

اصطلاح سیرکادین توسط فرانتس هالبرگ در سال 1959 معرفی شد. تعریف اصلی هالبرگ می‌گوید:

اصطلاح "Circadian" از circa (تقریبا) و dies (روز) سرچشمه می گیرد. در نظر گرفته شده است که دوره های فیزیولوژیکی خاص تقریباً 24 ساعت باشد، حتی اگر دقیقاً آن مدت نباشد. در نتیجه، «سیرکادین» ممکن است تمام ریتم‌های «24 ساعته» را در بر بگیرد، صرف نظر از اینکه دوره‌های فردی یا متوسط آن‌ها از 24 ساعت چندین دقیقه یا چند ساعت انحراف داشته باشد.

در سال 1977، کمیته بین المللی نامگذاری انجمن بین المللی کرونوبیولوژی به طور رسمی تعریف زیر را ارائه کرد:

شبانه روزی: مربوط به تغییرات بیولوژیکی یا ریتم هایی است که فرکانس یک چرخه را در بازه زمانی 24 ± 4 ساعت نشان می دهند، مشتق شده از واژه های لاتین circa (به معنای "حدود" یا "تقریبا") و روزانه "4 ساعت" یا "من" می گذرد. این اصطلاح ریتم‌هایی با طول چرخه تقریبی 24 ساعته را مشخص می‌کند، صرف نظر از اینکه آیا آنها با مقیاس زمانی محیطی محلی با فرکانس همگام شده‌اند یا همگام‌سازی نشده‌اند، دوره‌ای آزاد را نشان می‌دهند که کمی اما به طور مداوم با 24 ساعت متفاوت است.

در سال 1971، ران کونوپکا و سیمور بنزر جهش اولیه ساعت را در مگس سرکه کشف کردند و آن را ژن "پریود" (per) تعیین کردند و اولین شناسایی یک عامل تعیین کننده ژنتیکی برای ریتمیک رفتاری را نشان دادند. ژن per متعاقباً در سال 1984 توسط دو تیم تحقیقاتی مستقل جدا شد. کونوپکا، جفری هال، مایکل روزباش و همکارانشان نشان دادند که جایگاه per به عنوان جزء مرکزی ریتم شبانه روزی عمل می کند و عدم وجود آن (در از دست دادن) فعالیت شبانه روزی را لغو می کند. به طور همزمان، تیم مایکل دبلیو یانگ اثرات قابل مقایسه per را مستند کرد و گزارش داد که این ژن یک بازه 7.1 کیلوبازی (kb) روی کروموزوم X را پوشش می دهد و یک RNA پلی(A)+ 4.5 کیلوبایتی را کد می کند. تحقیقات بعدی آنها منجر به شناسایی ژن ها و نورون های حیاتی در سیستم شبانه روزی Drosophila شد، دستاوردی که به خاطر آن هال، راسباش و یانگ در سال 2017 جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را دریافت کردند.

جوزف تاکاهاشی clockaugalian clockaugiana را شناسایی کرد. (clockΔ19) در موش‌ها در سال 1994. با این وجود، تحقیقات معاصر نشان می‌دهد که حذف ساعت منجر به فنوتیپ رفتاری نمی‌شود، زیرا حیوانات مبتلا ریتم‌های شبانه‌روزی طبیعی خود را حفظ می‌کنند و در نتیجه سوالاتی را در مورد نقش اساسی آن در اولین نسل از ریتم‌ها کشف شده است.

معیارها

برای اینکه یک ریتم بیولوژیکی به عنوان شبانه روزی طبقه بندی شود، باید سه معیار کلی زیر را رعایت کند:

1. ریتم یک دوره آزاد دویدن درون زا را نشان می دهد که تقریباً 24 ساعت است. این ریتم در شرایط محیطی ثابت مانند تاریکی مداوم باقی می ماند و یک دوره تقریباً 24 ساعت را حفظ می کند. مدت زمان این ریتم در شرایط ثابت، دوره آزاد دویدن نامیده می شود که نماد آن با حرف یونانی τ (tau) است. این معیار در خدمت تمایز ریتم های شبانه روزی واقعی از پاسخ های صرف به محرک های خارجی روزانه است. ماهیت درون‌زای یک ریتم را تنها در صورتی می‌توان تأیید کرد که ثابت شده باشد در غیاب ورودی دوره‌ای خارجی، همچنان ادامه دارد. به طور معمول، در حیوانات روزانه (آنهایی که در ساعات روشنایی روز فعال هستند)، τ تقریباً بیشتر از 24 ساعت است، در حالی که در حیوانات شبگرد (آنهایی که در شب فعال هستند)، τ معمولاً کمتر از 24 ساعت است.
2. ریتم‌ها می‌توانند حباب شوند. این نشان می‌دهد که می‌توان ریتم را با قرار گرفتن در معرض محرک‌های خارجی، مانند نور و دما، از طریق فرآیندی به نام حباب بازنشانی یا هماهنگ کرد. محرک بیرونی به کار رفته برای ایجاد ریتم به عنوان zeitgeber یا "زمان دهنده" نامیده می شود. سفر فرا نصف النهار نمونه ای از ظرفیت ساعت بیولوژیکی انسان برای انطباق با زمان محلی است. افراد معمولاً تا زمانی که ساعت شبانه روزی آنها با زمان محلی جدید با موفقیت تنظیم و هماهنگ شود، جت لگ را تجربه می کنند.
3. ریتم ها جبران دما را نشان می دهند. این بدان معناست که تناوب شبانه روزی را در طیفی از دماهای فیزیولوژیکی حفظ می کنند. ارگانیسم های متعددی در محیط های حرارتی متنوعی زندگی می کنند و تغییرات در انرژی حرارتی ذاتاً بر سینتیک تمام فرآیندهای مولکولی سلولی تأثیر می گذارد. برای ردیابی دقیق زمان، ساعت شبانه روزی یک موجود زنده باید یک تناوب تقریبی 24 ساعته را با وجود این تغییرات جنبشی حفظ کند، مشخصه ای که به آن جبران دما می گویند. ضریب دمایی Q₁₀ این اثر جبرانی را کمیت می کند. اگر ضریب Q₁₀ آن با افزایش دما تقریباً 1 باقی بماند، یک ریتم با دما جبران شده تلقی می شود.

منشا

ریتم‌های شبانه‌روزی موجودات زنده را قادر می‌سازد تا تغییرات محیطی قابل پیش‌بینی و سازگار را پیش‌بینی کرده و با آنها سازگار شوند. در نتیجه، این ریتم‌ها استفاده کارآمدتر از منابع محیطی، مانند نور و غذا، را برای موجودات دارای آنها تسهیل می‌کنند، برخلاف آنهایی که فاقد چنین قابلیت‌های پیش‌بینی هستند. این نشان می‌دهد که ریتم‌های شبانه‌روزی مزیت انتخابی تکاملی دارند. با این وجود، ریتمیک بودن برای تنظیم و هماهنگی فرآیندهای متابولیک داخلی به همان اندازه که برای همگام سازی با محیط ضروری است، به نظر می رسد. شواهدی که از این اهمیت دوگانه حمایت می‌کنند شامل وراثت‌پذیری پایدار ریتم‌های شبانه‌روزی در مگس‌های میوه طی صدها نسل در شرایط آزمایشگاهی ثابت، تداوم آن‌ها در موجودات وحشی که در تاریکی همیشگی زندگی می‌کنند، و سرکوب تجربی ریتم‌های رفتاری - اما نه فیزیولوژیکی - شبانه‌روزی در بلدرچین‌ها طولانی است.

یک سوال حل نشده فرضیه‌های قبلی منشأ مشترکی از پروتئین‌های حساس به نور و ریتم‌های شبانه‌روزی در سلول‌های اولیه را پیشنهاد می‌کردند که نقش آن‌ها را در محافظت از تکثیر DNA در برابر تشعشعات ماوراء بنفش شدید و مضر در طول ساعات روز نشان می‌داد. این نظریه پیشنهاد می‌کند که تکثیر DNA در نتیجه به دوره‌های تاریکی محدود می‌شود. با این حال، پشتیبانی تجربی برای این گزاره وجود ندارد. در واقع، سیانوباکتری‌ها، در میان ساده‌ترین موجوداتی که ریتم شبانه‌روزی را نشان می‌دهند، الگوی مخالفی را نشان می‌دهند و در طول روز افزایش یافته‌اند. برعکس، تحقیقات جدیدتر بر اهمیت تکامل همزمان پروتئین‌های ردوکس با نوسان‌گرهای شبانه‌روزی در هر سه حوزه حیات تاکید می‌کند، پیشرفتی که پس از رویداد بزرگ اکسیداسیون تقریباً 2.3 میلیارد سال پیش انجام شد. دیدگاه غالب اکنون بیان می‌کند که نوسانات روزانه در سطوح اکسیژن محیطی و تولید گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) در حضور نور روز احتمالاً تکامل ریتم‌های شبانه‌روزی را برای پیش‌بینی و در نتیجه کاهش واکنش‌های ردوکس مضر در یک چرخه روزانه ضروری می‌کند.

ریتم‌های شبانه‌روزی باکتریایی، به‌ویژه آنهایی که در سیانوباکتری‌های پروکاریوتی یافت می‌شوند، ابتدایی‌ترین ساعت‌های شبانه‌روزی شناخته شده را نشان می‌دهند. تحقیقات معاصر ثابت کرده است که ساعت شبانه روزی Synechococcus elongatus را می توان در شرایط آزمایشگاهی با استفاده از سه پروتئین نوسانگر اصلی: KaiA، KaiB، و KaiC بازسازی کرد. مشاهده شده است که این ساعت بازسازی شده برای چندین روز پس از مصرف مکمل ATP یک ریتم 22 ساعته را حفظ می کند. مدل‌های قبلی که مکانیسم زمان‌سنجی شبانه‌روزی پروکاریوتی را توضیح می‌دادند بر روی یک حلقه بازخورد رونویسی/ترجمه DNA متکی بودند.

کمبود در همولوگ انسانی ژن «دوره» Drosophila به‌عنوان یک عامل ایجادکننده برای سندروم خواب پیشرفته فامیلیال شناسایی شد. ساعت شبانه روزی مولکولی از آن زمان تاکنون اجزای ژنتیکی متعددی در ساعت بیولوژیکی کشف شده است. فعل و انفعال بین این مؤلفه ها یک حلقه بازخورد پیچیده و قفل شده از محصولات ژنی را ایجاد می کند که نوسانات ریتمیکی را ایجاد می کند که سلول های بدن آن را به عنوان زمان خاصی از روز تفسیر می کنند.

درک معاصر تأیید می کند که ساعت شبانه روزی مولکولی به طور مستقل در سلول های جداگانه عمل می کند. این قابلیت سلولی مستقل توسط ژن بلوک در نورون‌های پایه شبکیه نرم تنان جدا شده (BRNs) نشان داده شد. همزمان، ارتباطات بین سلولی می تواند به خروجی هماهنگ سیگنال های الکتریکی منجر شود. این سیگنال ها ممکن است با غدد درون ریز مغز تعامل داشته باشند و باعث ترشح ریتمیک هورمون ها شوند. گیرنده های این هورمون ها که در سراسر بدن توزیع می شوند، می توانند ساعت های محیطی را در اندام های مختلف هماهنگ کنند. در نتیجه، اطلاعات زمانی منتقل شده توسط چشم ها به ساعت مرکزی مغز می رسد، که به نوبه خود، ساعت ها را در کل ارگانیسم هماهنگ می کند. این مکانیسم زیربنای تنظیم هماهنگ فرآیندهای فیزیولوژیکی مانند چرخه خواب و بیداری، دمای بدن، تشنگی و اشتها توسط ساعت بیولوژیکی است.

اهمیت در حیوانات

ریتم‌های شبانه‌روزی بر چرخه‌های خواب و بیداری و رفتارهای تغذیه گونه‌های مختلف جانوری، از جمله انسان، حاکم است. این ریتم ها همچنین در الگوهای مشخصی از دمای مرکزی بدن، فعالیت عصبی، ترشح هورمونی، بازسازی سلولی و سایر فرآیندهای فیزیولوژیکی ظاهر می شوند. علاوه بر این، پریودیسم نوری، که به عنوان پاسخ فیزیولوژیکی ارگانیسم به مدت نور یا تاریکی تعریف می‌شود، برای گیاهان و جانوران حیاتی است و سیستم شبانه‌روزی در درک و تفسیر طول روز نقش دارد. پیش بینی دقیق تغییرات فصلی در آب و هوا، منابع غذایی یا حضور شکارچیان برای بقای گونه های متعدد ضروری است. در حالی که تنها عامل تعیین کننده نیست، دوره نوری نوسان (طول روز) به عنوان قابل اطمینان ترین سیگنال محیطی برای تنظیم سازگاری های فیزیولوژیکی و رفتاری فصلی، به ویژه در مورد مهاجرت، خواب زمستانی، و چرخه های تولید مثل عمل می کند.

عواقب اختلال در ریتم شبانه روزی

تحقیقات مربوط به موش‌های دارای جهش یا حذف در ژن‌های ساعت‌شان، بر نقش حیاتی ساعت‌های بیولوژیکی درون‌زا در هماهنگ‌سازی فرآیندهای سلولی و متابولیکی تأکید کرده است. این موش‌های جهش یافته ساعتی هیپرفاژی، چاقی و متابولیسم گلوکز نامنظم را نشان می‌دهند. به طور خاص، نشان داده شده است که حذف ژن ساعت آلفا Rev-ErbA در موش باعث چاقی مرتبط با رژیم غذایی می شود و تعادل بین مصرف گلوکز و چربی را تغییر می دهد و در نتیجه حساسیت به دیابت را افزایش می دهد. با این وجود، یک ارتباط قوی قطعی بین پلی مورفیسم های ژن ساعت در انسان و استعداد ابتلا به سندرم متابولیک هنوز مشخص نیست.

تأثیر چرخه نور-تاریکی

ریتم‌های شبانه‌روزی به طور ذاتی با چرخه نور-تاریکی محیطی هماهنگ می‌شوند. وقتی حیوانات، از جمله انسان ها، برای مدت طولانی در تاریکی همیشگی نگهداری می شوند، ساعت درونی آنها در نهایت با ریتم آزادانه کار می کند. این منجر به پیشرفت یا تأخیر روزانه چرخه خواب و بیداری آنها می شود، مشروط به انحراف دوره درون زا درونی آنها از چرخه 24 ساعته. نشانه‌های محیطی که روزانه این ریتم‌ها را بازنشانی می‌کنند، zeitgebers نامیده می‌شوند. قابل توجه است که پستانداران کاملاً نابینای زیرزمینی، مانند موش صحرایی مول کور Spalax sp.، می توانند ساعت درون زا خود را حتی در غیاب ظاهری محرک های نور خارجی حفظ کنند. با وجود نداشتن چشم‌های سازنده تصویر، گیرنده‌های نوری آن‌ها، که مسئول تشخیص نور هستند، همچنان فعال هستند و این حیوانات نیز به‌طور دوره‌ای به سطح ظاهر می‌شوند.

جاندارانی که ریتم‌های آزاد را نشان می‌دهند، که معمولاً یک یا دو دوره خواب یکپارچه را نشان می‌دهند، این الگوها را حتی زمانی که از نشانه‌های محیطی بیرونی جدا می‌شوند، حفظ می‌کنند. با این حال، ریتم آنها دیگر با چرخه طبیعی 24 ساعته نور تا تاریکی همراه نخواهد بود. در چنین شرایطی، ریتم خواب و بیداری می‌تواند با سایر ریتم‌های شبانه‌روزی یا اولترادیان، از جمله ریتم‌های متابولیک، هورمونی، الکتریکی سیستم عصبی مرکزی، یا ریتم‌های انتقال‌دهنده عصبی، هماهنگ نباشد.

با توجه به اینکه سیستم‌هایی که چرخه طبیعی تاریکی را به‌طور قابل‌توجهی شبیه‌سازی می‌کنند، تحقیقات معاصر به طراحی معماری محیط‌های فضاپیما کمک کرده است. در نتیجه، نور درمانی به عنوان یک مداخله درمانی برای اختلالات خواب مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.

ریتم های شبانه روزی در جانوران قطب شمال

محققان دانشگاه ترومسو در نروژ نشان داده‌اند که گونه‌های خاصی از قطب شمال، مانند پتارمگان و گوزن شمالی، منحصراً در دوره‌هایی از سال که با طلوع و غروب خورشید مشخص می‌شود، ریتم شبانه‌روزی از خود نشان می‌دهند. یک مطالعه خاص بر روی گوزن شمالی واقع در عرض جغرافیایی 70 درجه شمالی، وجود ریتم های شبانه روزی را در طول پاییز، زمستان و بهار نشان داد، اما نه در طول تابستان. به طور مشابه، جمعیت گوزن شمالی در سوالبارد، واقع در 78 درجه شمالی، این ریتم ها را فقط در پاییز و بهار نشان می دهند. این یافته‌ها محققان را به این فرضیه سوق داد که سایر حیوانات قطبی نیز ممکن است در طول روشنایی دائمی تابستان و تاریکی مداوم زمستان، ریتم‌های شبانه‌روزی خود را از خود نشان ندهند.

برعکس، تحقیقاتی که در سال 2006 در شمال آلاسکا انجام شد، مشاهده کرد که سنجاب‌های زمینی روزانه و خارپشت‌های شبانه به‌طور شبانه‌ای از خارپشت‌های خود محافظت می‌کنند. روزها و شب های متوالی نور خورشید. محققان فرض می کنند که این دو گونه جونده حداقل فاصله ظاهری روزانه بین خورشید و افق را درک می کنند، که یک سرنخ محیطی کافی برای حباب شبانه روزی فراهم می کند.

تنظیم شبانه روزی در Lepidoptera

پیمایش مهاجر پاییزی پروانه پادشاه آمریکای شمالی شرقی (Danaus plexippus) به مکان های زمستان گذرانی خود در مرکز مکزیک متکی بر قطب نما خورشید جبران شده با زمان است که توسط یک ساعت شبانه روزی واقع در آنتن های آن تنظیم می شود. علاوه بر این، ریتم‌های شبانه‌روزی به دلیل نقششان در کنترل رفتارهای جفت‌گیری در گونه‌های خاص شب پره، مانند Spodoptera littoralis شناخته می‌شوند. در این گونه، ماده‌ها یک فرمون متمایز ساطع می‌کنند که نه تنها نرها را جذب می‌کند، بلکه ریتم شبانه‌روزی آن‌ها را نیز تنظیم می‌کند و در نتیجه جفت‌گیری شبانه را تسهیل می‌کند.

همگام‌سازهای اضافی ریتم‌های شبانه‌روزی

در حالی که نور در درجه اول ریتم های شبانه روزی را از طریق هسته فوق کیاسماتیک (SCN) هماهنگ می کند، سایر نشانه های محیطی نیز بر ساعت بیولوژیکی تأثیر می گذارند. مصرف رژیم غذایی، به طور خاص، به طور قابل توجهی ساعت های محیطی واقع در بافت هایی مانند کبد، ماهیچه ها و بافت چربی را تنظیم می کند. اجرای تغذیه محدود با زمان می‌تواند این ساعت‌های محیطی را تا حدی با تغییر پاسخ‌ها به سیگنال‌های نوری مجددا کالیبره کند. علاوه بر این، فعالیت بدنی بر فاز شبانه روزی تأثیر می گذارد، به ویژه از طریق تأثیرات آن بر سنتز ملاتونین و دمای مرکزی بدن. خود دما به عنوان یک عامل هماهنگ کننده حیاتی عمل می کند که قادر به تعدیل ریتم های شبانه روزی سلولی است. در نهایت، استرس فیزیولوژیکی و انتشار متعاقب آن گلوکوکورتیکوئیدها بر رونویسی ژن های ساعت تأثیر می گذارد و به طور بالقوه منجر به اختلال در چرخه های بیولوژیکی می شود. درک جامع ریتم‌های شبانه‌روزی، ادغام این عوامل متنوع را ضروری می‌سازد، که فراتر از تمرکز صرف بر تنظیم با واسطه نور است.

در گیاهان

ریتم‌های شبانه‌روزی گیاه اطلاعات زمانی حیاتی را ارائه می‌کنند، و گیاهان را قادر می‌سازد تا تغییرات فصلی را تشخیص دهند و زمان گلدهی را برای جذب گرده‌افشان بهینه کنند. تظاهرات این ریتم‌ها شامل فرآیندهای فیزیولوژیکی و رفتاری مختلف، از جمله حرکات نکتیناستیک برگ، الگوهای رشد، جوانه‌زنی بذر، هدایت روزنه‌ای، فعالیت آنزیم، سرعت فتوسنتز و انتشار ترکیبات فرار است. ریتم‌های شبانه‌روزی زمانی که گیاهان ساعت‌های درونی خود را با چرخه‌های نور-تاریکی محیط اطراف خود به همراه می‌آورند یا همگام می‌کنند، ایجاد می‌شود. این ریتم‌ها ذاتاً تولید می‌شوند، خود پایدار هستند و پایداری قابل‌توجهی را در طیفی از دماهای محیطی نشان می‌دهند. ویژگی‌های کلیدی شامل دو حلقه بازخورد رونویسی-ترجمه به هم پیوسته، پروتئین‌های دارای حوزه‌های PAS هستند که برهمکنش‌های پروتئین-پروتئین را واسطه می‌کنند، و گیرنده‌های نوری متعددی که دقیقاً ساعت را در شرایط نوری متفاوت کالیبره می‌کنند. ظرفیت پیش‌بینی تغییرات محیطی به گیاهان اجازه می‌دهد تا تنظیمات فیزیولوژیکی مناسب را اجرا کنند، در نتیجه مزیت تطبیقی ​​قابل‌توجهی را به ارمغان می‌آورند. درک بهتر از ریتم‌های شبانه‌روزی گیاه، پیامدهای قابل‌توجهی برای شیوه‌های کشاورزی دارد، مانند تسهیل برداشت‌های متوالی محصول برای طولانی‌تر شدن در دسترس بودن و کاهش تلفات قابل‌توجه ناشی از شرایط نامطلوب آب‌وهوایی.

نور به‌عنوان سرنخ محیطی اولیه برای گیاهان عمل می‌کند تا با رسانه‌های تشخیص عکس درونی تشعشعات بیولوژیکی که توسط پرتوهای بیولوژیکی داخلی تشخیص داده می‌شوند، هماهنگ شوند. طول موج های خاص، یعنی نور قرمز و آبی، توسط فیتوکروم ها و کریپتوکروم های مختلف جذب می شوند. فیتوکروم A (phyA) با طبیعت حساس به نور مشخص می شود و فرآیندهایی مانند جوانه زنی و رفع اتیلاسیون را در شرایط کم نور تسهیل می کند. در مقابل، فیتوکروم‌های B تا E پایداری بیشتری را نشان می‌دهند، با phyB که فیتوکروم غالب در نهال‌های رشد شده سبک است. ژن کریپتوکروم (گریه) همچنین یک عنصر حساس به نور از ساعت شبانه روزی را تشکیل می دهد که فرض می شود هم به عنوان گیرنده نوری و هم به عنوان یک جزء جدایی ناپذیر از ضربان ساز ذاتی ساعت عمل می کند. کریپتوکروم های 1 و 2 که به نور آبی-UVA پاسخ می دهند، به حفظ طول دوره ثابت ساعت شبانه روزی در طیف گسترده ای از شدت نور کمک می کنند.

نوسانگر هسته یک ریتم خودپایه تولید می‌کند که توسط دو حلقه بازخورد متصل به هم که در دوره‌های مشخصی از روز کار می‌کنند، به حرکت در می‌آید. حلقه صبح شامل CCA1 (Circadian and Clock-Associated 1) و LHY (Late Elongated Hypocotyl) است که ژن‌هایی هستند که فاکتورهای رونویسی MYB همولوگ را رمزگذاری می‌کنند که برای تنظیم ریتم‌های شبانه‌روزی در Arabidopsis، در کنار PRR 7 و Reponseudogulators (PRR 7 و Reponseu-9) ضروری هستند. برعکس، حلقه عصر شامل GI (Gigantea) و ELF4 است که هر دو در تنظیم ژن‌های کنترل کننده زمان گلدهی نقش دارند. بیان بیش از حد CCA1 و LHY در شرایط نور یا تاریکی ثابت منجر به آریتمی در گیاهان و کاهش سیگنال‌های mRNA می‌شود و در نتیجه به مکانیسم بازخورد منفی کمک می‌کند. بیان ژن CCA1 و LHY الگوهای نوسانی را نشان می دهد که در اوایل صبح به اوج خود می رسد، در حالی که بیان ژن TOC1 نیز نوسان می کند و در اوایل عصر به اوج خود می رسد. اگرچه فرضیه‌های قبلی پیشنهاد می‌کردند که این سه ژن یک حلقه بازخورد منفی تشکیل می‌دهند که در آن CCA1 و LHY بیش‌ازحد باعث سرکوب TOC1 و بیان بیش از حد TOC1 با تنظیم مثبت CCA1 و LHY است، تحقیقات اندرو میلار و همکارانش در سال 2012 نشان داد که TOC1 در واقع به عنوان یک سرکوب‌کننده عمل می‌کند. این عمل سرکوب کننده نه تنها به CCA1، LHY، و PRR7 و 9 در حلقه صبح، بلکه به GI و ELF4 در حلقه عصر نیز گسترش می یابد. این کشف، همراه با مدل‌سازی محاسباتی بعدی عملکردها و برهمکنش‌های ژن TOC1، تفسیر مجدد ساعت شبانه‌روزی گیاه را به عنوان یک مدل سرکوب‌کننده سه مولفه منفی پیشنهاد می‌کند، که از ویژگی حلقه بازخورد عنصر مثبت/منفی ساعت‌های پستانداران متفاوت است.

یک مطالعه در سال 2018 نشان داد که بیان ریتمیک رونوشت های نوپای hnRNA PRR5 و TOC1 در A. thalianaالگوی نوسانی رونوشت های mRNA پردازش شده را منعکس می کند. LNK ها به نواحی تنظیمی 5' PRR5 و TOC1 متصل می شوند و با RNA پلیمراز II (RNAP II) و سایر عوامل رونویسی درگیر می شوند. علاوه بر این، برهمکنش بین RVE8 و LNK ها اصلاح الگوی متیلاسیون هیستون مجاز (H3K4me3) را تسهیل می کند، با این اصلاح هیستون خود با بیان نوسانی ژن های ساعت مرتبط است.

تحقیقات قبلی نشان داده است که همراستایی محیط ذاتی یک گیاه با محیط اطراف چرخه بیرونی چرخه نوری می تواند تنظیم شود. اثرات مفید بر روی گیاه این نتیجه گیری از آزمایش های انجام شده بر روی سه گونه مجزا از Arabidopsis thaliana به دست آمد. یک رقم یک چرخه شبانه روزی استاندارد 24 ساعته را نشان داد. دو واریته باقی مانده اصلاح ژنتیکی شدند: یکی دارای چرخه شبانه روزی بیش از 27 ساعت بود، در حالی که دیگری چرخه ای کوتاه تر از حد معمول 20 ساعت داشت.

واریته Arabidopsis با چرخه شبانه روزی 24 ساعته تحت سه شرایط محیطی متمایز کشت شد. این شرایط شامل چرخه نور-تاریکی 20 ساعته (10 ساعت روشنایی، 10 ساعت تاریکی)، یک چرخه 24 ساعته روشنایی-تاریکی (12 ساعت روشنایی، 12 ساعت تاریکی) و یک چرخه نور-تاریکی 28 ساعته (14 ساعت روشنایی، 14 ساعت تاریکی) بود. دو خط جهش یافته Arabidopsis در هر دو چرخه 20 ساعته و 28 ساعته نور تا تاریکی قرار گرفتند. مشاهدات نشان داد که گونه Arabidopsis با ریتم شبانه روزی 24 ساعته زمانی که تحت یک چرخه 24 ساعته نور-تاریکی متناظر قرار می گیرد، رشد مطلوبی را نشان می دهد. در مجموع، همه گونه‌های Arabidopsis thaliana آزمایش‌شده محتوای کلروفیل بالا و رشد بیشتری را در محیط‌هایی که چرخه‌های روشنایی تا تاریکی با ریتم‌های شبانه‌روزی ذاتی آن‌ها هماهنگ می‌شد، نشان دادند.

محققان فرض کردند که هم‌سویی یک arabid'spanshysop با شرایط محیطی ممکن است آمادگی گیاه را برای سپیده دم و غروب افزایش دهد و در نتیجه هماهنگی بهتر فرآیندهای فیزیولوژیکی آن را تسهیل کند. این مطالعه همچنین نشان داد که ژن‌های دخیل در تنظیم کلروفیل چندین ساعت پس از سپیده‌دم به اوج بیان خود می‌رسند. این مشاهده با مفهوم سپیده دم متابولیک مطابقت دارد.

فرضیه سپیده دم متابولیک معتقد است که قندهای حاصل از فتوسنتزی به تنظیم ریتم شبانه روزی و مسیرهای خاص فتوسنتزی و متابولیک کمک می کنند. با شروع سپیده دم، افزایش در دسترس بودن نور معمولاً باعث افزایش فعالیت فتوسنتزی می شود. این قندهای فتوسنتزی متعاقباً PRR7 را سرکوب می کنند. سرکوب PRR7 به نوبه خود منجر به افزایش بیان CCA1 می شود. در مقابل، کاهش سطح قند فتوسنتزی با افزایش بیان PRR7 و کاهش بیان CCA1 ارتباط دارد. فرض بر این است که این مکانیسم بازخورد متقابل بین CCA1 و PRR7 زیربنای پدیده سپیده دم متابولیک است.

در Drosophila

مکانیسم‌های مولکولی حاکم بر ریتم شبانه‌روزی و ادراک نور در مگس سرکه به طور جامع درک شده است. ژن های ساعت، که ابتدا در Drosophila شناسایی شدند، در ارتباط با نورون های ساعت تخصصی عمل می کنند. دو ریتم متمایز مشاهده شده است: یکی با بسته شدن شفیرگی (هچ) و دیگری با رفتار جفت گیری. این نورون های ساعت در خوشه های مجزا در مغز مرکزی قرار دارند. در این میان، نورون‌های بزرگ و کوچک جانبی شکمی (l-LNvs و s-LNvs) لوب بینایی کاملاً مشخص‌تر هستند. این نورون ها فاکتور پخش کننده رنگدانه (PDF) را سنتز می کنند، یک نوروپپتید که به عنوان یک تعدیل کننده عصبی شبانه روزی در بین جمعیت های مختلف نورون ساعت عمل می کند.

ریتم شبانه روزی در Drosophila از طریق یک حلقه بازخورد رونویسی-ترجمه عمل می کند. این مکانیسم ساعت مرکزی شامل دو حلقه بازخورد به هم پیوسته است: حلقه PER/TIM و حلقه CLK/CYC. در طول روز، حلقه CLK/CYC رونویسی ژن‌های per و tim را آغاز می‌کند. با این حال، سطح پروتئین PER و TIM تا غروب پایین می ماند زیرا نور روز همچنین ژن doubletime (dbt) را فعال می کند. پروتئین DBT فسفوریلاسیون و متعاقب آن تخریب پروتئین های مونومر PER را تسهیل می کند. به طور مشابه، TIM تا غروب آفتاب تحت فسفوریلاسیون توسط کرک قرار می گیرد. پس از غروب آفتاب، فعالیت DBT متوقف می‌شود و مولکول‌های PER را قادر می‌سازد تا به طور پایدار به TIM متصل شوند. دایمر حاصل از PER/TIM در طول شب به هسته منتقل می شود، جایی که به دایمرهای CLK/CYC متصل می شود. این اتصال PER به طور کامل فعالیت رونویسی CLK و CYC را مهار می کند.

در اوایل صبح، قرار گرفتن در معرض نور ژن cry را فعال می کند و محصول پروتئینی آن، CRY، باعث تخریب TIM می شود. در نتیجه، دایمر PER/TIM جدا می‌شود و پروتئین PER ناپیوسته را ناپایدار می‌کند. سپس PER تحت فسفوریلاسیون متوالی قرار می گیرد که منجر به تخریب نهایی آن می شود. عدم وجود هر دو PER و TIM به فعال شدن ژن‌های clk و cyc اجازه می‌دهد و در نتیجه ساعت را برای چرخه شبانه‌روزی بعدی تنظیم مجدد می‌کند.

مدل PER-TIM

این مدل پروتئین از مشاهدات نوسانات پروتئین PER و TIM در Drosophila نشات گرفته است. این بر اساس مدل قبلی PER است که تأثیر ژن PER و پروتئین آن را بر ساعت بیولوژیکی روشن می کند. مدل فعلی شامل تشکیل یک مجتمع هسته ای PER-TIM است که بازخورد منفی روی رونویسی هر دو ژن PER و TIM، در کنار فسفوریلاسیون چند محله این دو پروتئین اعمال می کند. به نظر می رسد که نوسانات شبانه روزی PER و TIM با چرخه روشنایی تاریکی هماهنگ است، اگرچه وابستگی آنها به آن مطلق نیست. هر دو پروتئین PER و TIM تحت فسفوریلاسیون قرار می گیرند و با تشکیل کمپلکس هسته ای PER-TIM، دوباره وارد هسته می شوند تا بیان mRNA PER و TIM را سرکوب کنند. این اثر بازدارنده تا زمانی که پروتئین یا mRNA تجزیه شود ادامه می یابد و در این مرحله کمپلکس مهار خود را آزاد می کند. قابل توجه است که نور تجزیه پروتئین TIM را تسریع می کند.

ساعت‌های شبانه‌روزی پستانداران

در پستانداران، ساعت شبانه روزی اصلی در هسته سوپراکیاسماتیک (SCN) قرار دارد که از یک جفت خوشه سلولی متمایز واقع در هیپوتالاموس تشکیل شده است. ضایعات به SCN منجر به اختلال کامل چرخه خواب و بیداری منظم می شود. SCN اطلاعات نور را از طریق چشم به دست می آورد. در حالی که شبکیه دارای گیرنده های نوری معمولی (میله ها و مخروط ها) برای بینایی است، همچنین دارای سلول های گانگلیونی تخصصی و مستقیماً حساس به نور شبکیه است. این سلول‌ها مستقیماً به SCN می‌روند و حباب (همگام‌سازی) این ضربان‌ساز شبانه‌روزی مرکزی را تسهیل می‌کنند. پروتئین‌های تشکیل‌دهنده ساعت SCN با آن‌هایی که در مگس میوه شناسایی شده‌اند همسانی نشان می‌دهند.

این سلول‌های گانگلیونی تخصصی شبکیه حاوی فتوپیگمان ملانوپسین هستند و سیگنال‌های آن‌ها از طریق دستگاه رتینوهیپوتالامیک به SCN منتقل می‌شوند. هنگامی که سلول‌های SCN جدا شده و در شرایط آزمایشگاهی کشت می‌شوند، به طور مستقل ریتمیک ذاتی خود را حتی بدون نشانه‌های محیطی خارجی حفظ می‌کنند.

SCN اطلاعات مربوط به طول روز و شب دریافتی از شبکیه را پردازش می‌کند و متعاقباً آن را به غده صنوبری منتقل می‌کند. غده صنوبری، یک ساختار کوچک به شکل مخروط کاج که روی اپیتالاموس قرار دارد، با ترشح هورمون ملاتونین پاسخ می دهد. ترشح ملاتونین در طول دوره شبانه به اوج خود می رسد و در طول روز کاهش می یابد و در نتیجه اطلاعاتی در مورد طول شب منتقل می شود.

تحقیقات متعدد نشان می دهد که ملاتونین پینه آل به ریتمیک SCN بازخورد می دهد و بر الگوهای شبانه روزی فعالیت و فرآیندهای فیزیولوژیکی مختلف تأثیر می گذارد. با این وجود، ماهیت دقیق و پیامدهای گسترده‌تر در سطح سیستم این مکانیسم بازخورد هنوز کاملاً مشخص است.

ریتم‌های شبانه‌روزی انسان می‌توانند در دوره‌هایی که اندکی از چرخه 24 ساعته زمین منحرف می‌شوند، جذب شوند. تحقیقات انجام‌شده در هاروارد نشان داده است که افراد انسانی می‌توانند با چرخه‌هایی به مدت 23.5 ساعت و حداکثر 24.65 ساعت جذب شوند.

ریتم های شبانه روزی انسان

تحقیقات اولیه در مورد ریتم‌های شبانه‌روزی نشان می‌دهد که افراد، زمانی که از زیتگبرهای خارجی مانند نور روز و دستگاه‌های اندازه‌گیری زمان جدا می‌شوند، ترجیح می‌دهند برای یک روز تقریباً 25 ساعت. با این وجود، این تحقیقات اولیه متعاقباً به دلیل عدم محافظت کافی از شرکت کنندگان در برابر نور مصنوعی، ناقص تلقی شد. در حالی که آزمودنی‌ها واقعاً از نشانه‌های زمانی (مانند ساعت) و نور طبیعی محافظت می‌شدند، محققان از تأثیر تأخیر فاز روشنایی الکتریکی داخلی بی‌اطلاع بودند. شرکت‌کنندگان مجاز بودند چراغ‌ها را در هنگام بیداری فعال کنند و آنها را برای خواب غیرفعال کنند و نور الکتریکی عصر متعاقباً فاز شبانه‌روزی آن‌ها را به تاخیر انداخت. مطالعه دقیق تری که در سال 1999 توسط دانشگاه هاروارد انجام شد، ریتم شبانه روزی ذاتی انسان را تقریباً 24 ساعت و 11 دقیقه تخمین زد که با روز خورشیدی هماهنگ تر است. این یافته توسط یک مطالعه بعدی در سال 2010 تأیید شد، که علاوه بر این تفاوت‌های جنسی را مشخص کرد، و اشاره کرد که دوره شبانه روزی برای زنان (24.09 ساعت) به طور جزئی کوتاه‌تر از مردان (24.19 ساعت) بود. در این مطالعه اخیر، زنان معمولاً زودتر از مردان از خواب بیدار می‌شوند و تمایل قوی‌تری به فعالیت‌های صبحگاهی نشان می‌دهند، اگرچه مکانیسم‌های بیولوژیکی دقیقی که زیربنای این نابرابری‌ها هستند هنوز مشخص نشده است.

نشانگرهای بیولوژیکی و اثرات مرتبط

نشانگرهای فازی که برای ارزیابی سازماندهی زمانی یک ریتم شبانه روزی پستانداران استفاده می شوند عبارتند از:

• ترشح ملاتونین که از غده صنوبری منشا می گیرد؛
• نادر دمای مرکزی بدن؛ و
• غلظت کورتیزول پلاسما.

در بررسی‌های مربوط به دما، شرکت‌کنندگان باید بیدار و در عین حال آرام و نیمه‌خوابیده در شرایط نزدیک به تاریکی بمانند، در حالی که دمای مقعدی آنها به طور مداوم کنترل می‌شود. علی‌رغم تنوع قابل‌توجه در میان کرونوتیپ‌های معمولی، میانگین دمای مرکزی بدن یک انسان بالغ معمولاً در حدود ساعت 5 صبح، تقریباً دو ساعت قبل از زمان بیدار شدن مرسوم، به حداقل خود می‌رسد. باهر و همکاران مشاهده کرد که، در بزرگسالان جوان، نادر روزانه در دمای بدن در حدود ساعت 04:00 برای افرادی که به عنوان انواع صبحگاهی طبقه بندی می شوند، آشکار می شود، در حالی که نزدیک به ساعت 06:00 برای انواع عصر رخ می دهد. این حداقل نقطه تقریباً در اواسط دوره خواب هشت ساعته برای کرونوتیپ‌های صبح قرار داشت، اما نزدیک‌تر به زمان بیداری برای کرونوتیپ‌های عصر مشاهده شد.

ملاتونین یا در سیستم فیزیولوژیکی وجود ندارد یا در غلظت‌های غیرقابل تشخیص در طول دوره‌های روزانه وجود دارد. شروع آن در شرایط نور کم، که شروع ملاتونین کم نور (DLMO) نامیده می شود، معمولاً در حدود ساعت 21:00 رخ می دهد، می تواند در نمونه های خون یا بزاق اندازه گیری شود. علاوه بر این، متابولیت اولیه آن در ادرار صبحگاهی قابل اندازه گیری است. هم DLMO و هم نقطه میانی زمانی حضور هورمون در خون یا بزاق، از لحاظ تاریخی به عنوان نشانگرهای شبانه روزی عمل کرده اند. با این وجود، تحقیقات جدیدتر نشان می دهد که تغییر ملاتونین ممکن است نشانگر قابل اعتمادتری باشد. بنلوسیف و همکاران مشخص شد که نشانگرهای فاز ملاتونین پایداری بیشتر و همبستگی قوی‌تری با زمان خواب در مقایسه با حداقل دمای هسته نشان می‌دهند. یافته‌های آنها نشان داد که هم افست خواب و هم افست ملاتونین نسبت به شروع خواب با نشانگرهای فاز ارتباط قوی‌تری دارند. علاوه بر این، ثابت شد که فاز نزولی سطح ملاتونین قابل اعتمادتر و پایدارتر از توقف سنتز ملاتونین است.

تغییرات فیزیولوژیکی اضافی که ریتمیک شبانه روزی را نشان می دهند شامل ضربان قلب و فرآیندهای سلولی متعدد، به ویژه "از جمله استرس اکسیداتیو، متابولیسم سلولی، اصلاح سیستم ایمنی، متابولیسم سلولی، سیستم ایمنی بدن است. مسیرهای پاسخ هیپوکسی/هیپراکسی، استرس شبکه آندوپلاسمی، اتوفاژی و تنظیم محیط سلول های بنیادی." مطالعه‌ای که شامل مردان جوان بود نشان داد که ضربان قلب به کمترین میانگین خود در طول خواب و بالاترین میانگین آن در مدت کوتاهی پس از بیدار شدن می‌رسد.

برخلاف تحقیقات قبلی، یافته‌های معاصر نشان می‌دهد که تأثیر مستقیم دمای بدن بر عملکرد در ارزیابی‌های روان‌شناختی وجود ندارد. فرض بر این است که این مشاهدات بر خلاف سایر حوزه‌های عملکردی که در تحقیقات قبلی مورد بررسی قرار گرفته‌اند، از فشارهای تکاملی ناشی از افزایش عملکرد شناختی ناشی می‌شود.

ریتم های شبانه روزی هسته های فرا-سوپراکیاسماتیک (SCN)

ریتم‌های شبانه‌روزی، که درجات مختلفی از استقلال را نشان می‌دهند، در اندام‌ها و سلول‌های متعددی در سراسر بدن وجود دارند، متمایز از هسته‌های سوپراکیاسماتیک (SCN)، که به عنوان «ساعت اصلی» عمل می‌کند. عصب شناس جوزف تاکاهاشی و همکارانش در نشریه ای در سال 2013 اظهار داشتند که "تقریباً هر سلول بدن حاوی یک ساعت شبانه روزی است." این ساعت های موضعی که به آنها نوسانگرهای محیطی گفته می شود، در ساختارهایی مانند غده فوق کلیوی، مری، ریه ها، کبد، پانکراس، طحال، تیموس و پوست شناسایی شده اند. علاوه بر این، شواهد اولیه نشان می دهد که پیاز بویایی و پروستات نیز ممکن است رفتار نوسانی از خود نشان دهند، به ویژه در شرایط کشت.

در حالی که نوسانگرهای پوستی به نور واکنش نشان می دهند، تأثیر سیستمیک آنها ثابت نشده است. علاوه بر این، نوسان‌گرهای متعدد، از جمله سلول‌های کبدی، نسبت به محرک‌های غیر فوتونیک، مانند مصرف مواد مغذی، واکنش نشان می‌دهند.

تقابل نور و ساعت زیستی

نور ساعت بیولوژیکی را بر اساس منحنی پاسخ فاز آن (PRC) تنظیم مجدد می‌کند، که می‌تواند ریتم شبانه‌روزی را بر اساس زمان‌بندی آن پیش ببرد یا به تاخیر بیاندازد. هم جمهوری خلق چین و هم روشنایی لازم، تنوع گونه های خاص را نشان می دهند، با جوندگان شبانه که در مقایسه با انسان ها به نور کمتری برای تنظیم مجدد ساعت خود نیاز دارند. سیستم‌های نورپردازی پیشرفته، مانند دور سقف CircadianLux، برای پشتیبانی از ریتم‌های شبانه‌روزی با تعدیل دینامیکی سطوح نور بر اساس معیارهایی مانند روشنایی نور روز ملانوپی (M-EDI) طراحی شده‌اند و در نتیجه عملکرد ساعت بیولوژیکی را بهینه می‌کنند.

تغییرات چرخه شبانه روزی تحمیلی

تحقیقات انسانی از چرخه‌های خواب و بیداری اجباری استفاده کرده است که به طور قابل‌توجهی از دوره معمولی 24 ساعته منحرف می‌شود، که نمونه‌ای از مطالعه ناتانیل کلیتمن در سال 1938 (28 ساعت) و تحقیقات Derk-Jan Dijk و چارلز Czeisler در دهه 1990 (20 ساعت) است. این روش پروتکل عدم همزمانی اجباری نامیده می‌شود زیرا افراد با ساعت شبانه‌روزی طبیعی نمی‌توانند چنین ریتم‌های غیر معمول روز و شب را جذب کنند. این پروتکل به طور موثر خواب و بیداری را از دوره شبانه روزی ذاتی بدن جدا می کند، و محققان را قادر می سازد تا تأثیر فاز شبانه روزی - زمان نسبی در چرخه شبانه روزی - را بر ابعاد مختلف خواب و بیداری، از جمله تأخیر خواب و سایر عملکردهای فیزیولوژیکی، رفتاری و شناختی ارزیابی کنند.

turbinata دارای یک ساعت شبانه روزی متمایز و استثنایی کوتاه مدت، تقریباً 19 ساعت است که توسط فعالیت های حرکتی و ساخت وب هدایت می شود. وقتی C. عنکبوت‌های turbinata در اتاق‌هایی با چرخه‌های 19، 24 یا 29 ساعته از تقسیم نور و تاریکی به طور مساوی نگهداری می‌شدند، هیچکدام نسبت به ریتم شبانه‌روزی ذاتی‌شان طول عمر کمتری نشان ندادند. این مشاهدات نشان می دهد که C. turbinata هزینه های فیزیولوژیکی مرتبط با عدم همزمانی شدید را که در سایر گونه های جانوری مشاهده می شود متحمل نمی شود.

اطلاعات برای سلامت انسان

پیدایش طب شبانه روزی

تحقیقات زیست‌شناسی شبانه‌روزی معاصر در درجه اول بر ترجمه مکانیسم‌های ساعت بدن به ابزارهای بالینی عملی متمرکز است، هدفی که به‌ویژه برای مدیریت بیماری‌های قلبی عروقی مرتبط است. Chronotherapeutics، که شامل همگام سازی درمان های پزشکی با ساعت داخلی بدن است، ممکن است اثربخشی درمان را افزایش داده و سمیت دارو یا واکنش های نامطلوب را در بیماران مبتلا به فشار خون بالا کاهش دهد. مطالعات تجربی در مدل‌های جوندگان نشان داده‌اند که "داروشناسی شبانه‌روزی" یا عوامل دارویی که مکانیسم ساعت شبانه‌روزی را هدف قرار می‌دهند، می‌توانند به طور قابل ملاحظه‌ای آسیب انفارکتوس میوکارد را کاهش داده و از نارسایی قلبی جلوگیری کنند. بسیار مهم است که برای ترجمه عاقلانه درمان های نویدبخش طب شبانه روزی به عمل بالینی، درک جامع از اثرات درمانی آنها در هر دو جنس بیولوژیکی ضروری است.

علت اختلال در ریتم شبانه روزی

نورپردازی داخلی

پارامترهای روشنایی لازم برای تنظیم شبانه روزی با پارامترهایی که صرفاً برای ادراک بصری لازم است متفاوت است. در نتیجه، طراحی روشنایی داخلی در محیط های حرفه ای و سازمانی به طور فزاینده ای این تمایز را در بر می گیرد. مطالعات حیوانی قبلی که اثرات نور را در شرایط آزمایشگاهی بررسی می‌کردند، عمدتاً بر شدت نور (تابش) متمرکز بودند، اغلب رنگ را نادیده می‌گرفتند، که ثابت شده است به عنوان یک تنظیم‌کننده حیاتی زمان‌بندی بیولوژیکی در زمینه‌های مرتبط با محیط زیست عمل می‌کند.

نور LED آبی تولید ملاتونین را مهار می‌کند، در حالی که نور سفید-رنگ PS-H را پنج برابر موثرتر از تولید ملاتونین مهار می‌کند. لامپ های هالید ملاتونین را با سرعتی بیش از سه برابر HPS سرکوب می کنند. علاوه بر این، علائم افسردگی ناشی از قرار گرفتن طولانی مدت در معرض نور شبانه را می توان از طریق برقراری مجدد یک چرخه شبانه روزی منظم بهبود بخشید.

پرسنل هوانوردی: خلبانان و خدمه کابین

تقاضای شغلی از خلبانان خطوط هوایی، شامل سفرهای مکرر از نصف النهار و قرار گرفتن در معرض چرخه های نور تا تاریکی متعدد در یک روز، همراه با دوره های طولانی بیداری در طول فازهای روزانه و شبانه، اغلب از حفظ الگوهای خواب مطابق با ریتم طبیعی شبانه روزی انسان جلوگیری می کند. این استعداد اغلب منجر به خستگی می شود. هیئت ملی ایمنی حمل و نقل (NTSB) خستگی خلبان را به عنوان یک عامل مؤثر در تصادفات متعدد شناسایی کرده است و تحقیقات گسترده ای را برای توسعه استراتژی هایی برای کاهش آن انجام داده است.

تأثیرات دارویی

تحقیقات مربوط به حیوانات و انسان‌ها برهمکنش‌های دوسویه قابل‌توجهی را بین سیستم شبانه‌روزی و مواد سوء مصرف نشان می‌دهد. این مواد بر روی ضربان ساز شبانه روزی مرکزی تأثیر می گذارند. افرادی که مبتلا به اختلال مصرف مواد تشخیص داده می شوند، اغلب ریتم شبانه روزی مختل را نشان می دهند، که می تواند خطر سوء مصرف اولیه مواد و عود متعاقب آن را افزایش دهد. علاوه بر این، اختلالات ژنتیکی یا محیطی در چرخه خواب و بیداری منظم ممکن است آسیب پذیری فرد را در برابر اعتیاد افزایش دهد.

تعیین اینکه آیا اختلالات ریتم شبانه روزی مستقیماً باعث افزایش شیوع سوء مصرف مواد می شود یا اینکه سایر عوامل استرس زای محیطی در درجه اول مسئول هستند، همچنان چالش برانگیز است. با این وجود، تغییرات در ریتم شبانه روزی و الگوهای خواب با شروع سوء مصرف مواد مخدر و الکل مشاهده می شود. قابل توجه است که این اختلالات شبانه روزی اغلب حتی پس از قطع مصرف مواد توسط فرد ادامه می یابد.

مصرف الکل به وضوح ریتم شبانه روزی را مختل می کند. مصرف حاد باعث ایجاد تغییرات وابسته به دوز در غلظت ملاتونین و کورتیزول، در کنار نوسانات دمای مرکزی بدن می شود که معمولاً تا صبح روز بعد عادی می شود. برعکس، مصرف مزمن الکل منجر به اختلالات عمیق تر و پایدارتر می شود که اغلب با اختلالات مصرف الکل (AUD) و بروز علائم ترک همراه است.

تثبیت الگوهای خواب و ریتم های شبانه روزی می تواند به طور بالقوه آسیب پذیری در برابر اعتیاد را کاهش دهد و احتمال عود را کاهش دهد.

نواحی هسته مغز ممکن است تأثیر قابل توجهی بر اثرات دارویی موادی مانند کوکائین داشته باشند. علاوه بر این، تغییرات ژنتیکی تجربی این ژن‌های ساعت نشان داده شده است که مکانیسم‌های عمل کوکائین را به شدت تغییر می‌دهد.

عواقب اختلال در ریتم شبانه روزی

اختلال

اختلال در ریتم شبانه روزی معمولاً با اثرات نامطلوب ظاهر می شود. یک مثال رایج جت لگ است که توسط بسیاری از مسافران تجربه می شود، که با علائمی مانند خستگی، بی نظمی، بی خوابی، سوء هاضمه، اختلالات خواب، از دست دادن اشتها، تحریک پذیری، سردرد و ارتباط با چاقی ظاهر می شود. در سطح فیزیولوژیکی، اختلال در ریتم شبانه روزی ترشح ملاتونین را کاهش می دهد، الگوهای ترشح هورمون غده هیپوفیز را اصلاح می کند و استرس اکسیداتیو را تشدید می کند که می تواند باعث تخریب عصبی شود. این فرآیندها در ایجاد شرایط مختلف روانپزشکی، مانند اختلال دوقطبی و افسردگی، و همچنین برخی اختلالات خواب مانند اختلال فاز خواب تاخیری (DSPD) نقش دارند که همگی با عملکرد ریتم شبانه روزی نامنظم یا بیمارگونه مرتبط هستند.

فرضی است که اختلال طولانی‌مدت ریتم‌های شبانه‌روزی، فراتر از تأثیرات زیربنایی بر سلامت مغز است. به ویژه در ایجاد یا تشدید بیماری قلبی عروقی نقش دارد.

تحقیق به طور مداوم اهمیت حیاتی حفظ خواب طبیعی و ریتم شبانه روزی را برای عملکرد کلی مغز و سلامت عمومی نشان می دهد. چندین مطالعه همچنین نشان می‌دهند که چرت با قدرت، که به عنوان یک دوره کوتاه خواب در طول روز تعریف می‌شود، می‌تواند استرس را کاهش دهد و بهره‌وری را بدون تأثیر قابل‌اندازه‌گیری بر ریتم‌های طبیعی شبانه‌روزی افزایش دهد. علاوه بر این، ریتم های شبانه روزی به عملکرد سیستم فعال کننده شبکه کمک می کند، که برای حفظ هوشیاری ضروری است. معکوس شدن چرخه خواب و بیداری ممکن است به عنوان یک شاخص یا عارضه شرایطی مانند اورمی، آزوتمی یا آسیب حاد کلیه باشد. تحقیقات همچنین تأثیر مستقیم نور بر سلامت انسان را از طریق تعدیل زیست‌شناسی شبانه‌روزی آن روشن کرده است.

ارتباط با بیماری قلبی عروقی

تحقیق اولیه برای بررسی علت بیماری قلبی عروقی ناشی از اختلال ریتم شبانه‌روزی با استفاده از همستر تاو انجام شد، مدلی که با یک ناهنجاری ژنتیکی در مکانیسم ساعت شبانه‌روزی مشخص می‌شود. هنگامی که این همسترها تحت یک چرخه 24 ساعته نور تا تاریکی قرار گرفتند که با ریتم شبانه روزی ذاتی 22 ساعته آنها هماهنگ نبود، آسیب شناسی شدید قلبی عروقی و کلیوی را نشان دادند که بر فیزیوپاتولوژی قلب و عروق و عملکردهایی مانند ضربان قلب و فشار خون تأثیر گذاشت. اثرات مشابهی در کارگران شیفت انسانی مشاهده شده است، جایی که مطالعات پروتئین واکنشی C و سطوح فشار خون را در گروه‌های تجربی مجزا مقایسه کردند. یافته ها حاکی از افزایش 11 درصدی پروتئین واکنشگر C با حساسیت بالا (hs-CRP) 24 ساعته، همراه با افزایش فشار خون سیستولیک و دیاستولیک بود. علاوه بر این، اختلال ساعت شبانه روزی یک عامل خطر مهم برای شرایطی مانند فشار خون بالا، سکته مغزی ایسکمیک، بیماری عروق کرونر قلب و مرگ ناگهانی قلبی است. پیامدهای فیزیولوژیکی مضر ناهماهنگی شبانه روزی در انسان از طریق پروتکل های ناهماهنگی مبتنی بر آزمایشگاه و مطالعات اپیدمیولوژیک کارگران شیفت بررسی شده است. ناهماهنگی شبانه روزی با عوامل خطر متعدد بیماری قلبی عروقی مرتبط است. سطوح بالای رزیستین، یک نشانگر زیستی برای آترواسکلروز، در کارگران شیفت ثبت شده است که نشان دهنده ارتباط بین ناهماهنگی شبانه روزی و تجمع پلاک شریانی است. علاوه بر این، افزایش سطح تری اسیل گلیسرید (مولکول های دخیل در ذخیره اسیدهای چرب اضافی) مشاهده شد که به سخت شدن شریانی کمک می کند، وضعیتی که با بیماری های قلبی عروقی مانند انفارکتوس میوکارد، سکته مغزی و بیماری قلبی کلی مرتبط است. نوبت کاری و در نتیجه ناهماهنگی شبانه روزی آن نیز در ایجاد فشار خون بالا دخیل است.

چاقی و دیابت

در میان عوامل مختلف تعیین‌کننده‌های ژنتیکی و سبک زندگی، اختلال در ساعت شبانه‌روزی یا ناهماهنگی سیستم زمان‌بندی شبانه‌روزی با نشانه‌های محیطی بیرونی (مانند چرخه‌های نور تا تاریکی) می‌تواند در پاتوژنز اختلالات متابولیک، از جمله چاقی، دیابت، هیپرگلیسمی، دیس‌لیپیدمی و فشار خون بالا نقش داشته باشد. بر روی فرآیندهای فیزیولوژیکی شبانه روزی و متابولیک. مدل‌های حیوانی که مجبور به مصرف غذا در طول فازهای استراحت معمولی خود هستند، توده بدنی بالا و پروفایل‌های بیانی تغییر یافته ساعت و ژن‌های متابولیک را نشان می‌دهند. در جمعیت انسانی، الگوهای نوبت کاری که برنامه‌های غذایی نامنظم را ترویج می‌کنند با تغییر حساسیت به انسولین، دیابت و افزایش توده بدن مرتبط هستند.

اثرات شناختی

عدم همسویی شبانه روزی با کاهش عملکرد شناختی مرتبط است که شامل جنبه هایی مانند هوشیاری، خلق و خوی، مشارکت اجتماعی و عملکرد فیزیکی است. افرادی که در نوبت کاری مزمن فعالیت می‌کنند، نرخ بالایی از خطاهای عملیاتی، عملکرد بینایی-حرکتی به خطر افتاده، و کاهش کارایی پردازش را نشان می‌دهند که به طور بالقوه منجر به کاهش بهره‌وری و افزایش خطرات ایمنی می‌شود. خطر ابتلا به زوال عقل در میان کارگران مزمن شیفت شب در مقایسه با کارگران شیفت روز، به ویژه در افراد بالای 50 سال مشاهده می شود.

مشاهده شده است که محرومیت از خواب هم عملکرد شناختی و هم عملکرد فیزیکی را مختل می کند.

تفاوتهای جنسی

تحقیقی که در مورد تغییرات جنسی در ریتم‌های شبانه‌روزی بررسی می‌کند، نشان می‌دهد که زنان ممکن است زمان‌بندی شبانه‌روزی زودتر را نشان دهند، و شرایط نور محیط به طور بالقوه به عنوان یک عامل کمک کننده عمل می‌کند. اختلالات ریتم شبانه روزی در زنان ممکن است احتمال بی نظمی چرخه قاعدگی و ناباروری را افزایش دهد، در حالی که در مردان، چنین اختلالاتی می تواند منجر به کاهش کیفیت مایع منی شود.

جامعه و فرهنگ

در سال 2017، جفری سی هال، مایکل دبلیو. یانگ و مایکل روزباش جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را به دلیل اکتشافات پیشگامانه خود در مورد مکانیسم های مولکولی حاکم بر ریتم شبانه روزی دریافت کردند.

ریتم های شبانه روزی به عنوان تصویری از دانش عمومی در حوزه علمی ذکر شده است

مراجع

مراجع