Ceasurile organismelor

Într-un moment emoționant din opera lui Richard Strauss, Cavalerul Rozelor, prințesa von Werdenberg recunoaște cu disperare că uneori se trezește noaptea și oprește toate ceasurile din casă, pentru a opri sunetul trecerii timpului. Chiar și așa, un ceas ar fi continuat să bată în ritmul circadian al organismului, deși probabil nu ar fi fost o informație foarte relevantă pentru protagonistă. Precum îi sugerează chiar numele, compus din termenii latinești circa (în jur de) și dies(zi), oscilațiile ritmului circadian sînt calibrate la durata zilei, astfel încît la anumite intervale de timp au loc schimbări ale fiziologiei organismului. Majoritatea organismelor vii au astfel de ritmuri sincronizate cu o durată de aproximativ 24 de ore, cea a unei zile pe Pămînt. Primul experiment cu privire la fenomenul circadian a fost realizat de astronomul francez Jean-Jacques d’Ortous de Mairan, care și-a prezentat rezultatele în 1729. De Mairan era interesat de planta Mimosa pudica, sau planta sensibilă, care își repliază frunzele atît dacă sînt atinse, cît și noaptea. De Mairan s-a întrebat dacă această retragere a frunzelor noaptea, urmată de o redeschidere pe timp de zi, se păstrează și în absența luminii soarelui. Așezînd o plantă într-o cameră întunecată, a observat că ciclul de închidere și redeschidere a frunzelor se păstrează și în absența luminii care să indice trecerea de la zi la noapte. Deși De Mairan credea că ar trebui investigat dacă ar putea exista alte modalități prin care planta să fi simțit trecerile dintre zi și noapte, cum ar fi schimbările de temperatură între cele două perioade, el făcuse deja un prim pas spre ceea ce avea să fie o importantă descoperire a secolului XX, și anume existența unor „ceasuri” interne ale organismelor, codificate în materialul genetic. 

Ciclul circadian este prezent în tot sistemul unui organism, influențîndu-i fiziologia. În cazul omului, ritmul circadian este menținut de o structură a creierului numită nucleul suprachiasmatic, compus din niște mii de neuroni care primesc informații de la nervii optici ce percep schimbările de lumină din afara organismului. Acest „ceas central” semnalează apoi altor organe, precum ficatul sau plămînii, care au și ele ceasuri interne. Sincronizarea activității acestor organe în cadrul ciclului circadian este uneori comparată cu o orchestră ale cărei instrumente sînt în armonie. Unul din modurile prin care acest „ceas central” menține ritmul circadian este controlul secreției melatoninei, un hormon care este secretat doar pe timp de noapte. Astfel, nucleul suprachiasmatic este considerat a fi un pacemaker, menținînd pulsul ceasurilor interne. De asemenea, ceasurile interne sînt influențate de diferite semnale externe, cum ar fi lumina. Un astfel de semnal se numește un Zeitgeber (ceva care dă sau indică timpul), un bun exemplu fiind temperatura. Totuși, chiar și în absența semnalelor de la diferiți Zeitgebers, așa cum sugerează și observația lui De Mairan, celulele sînt deja programate să își mențină ritmul circadian, schimbîndu-și compoziția moleculară la anumite ore, activînd și dezactivînd diferite „gene-ceas” – clock genes. Descoperite începînd cu anii 1970, genele-ceas sînt activate în anumite intervale ale zilei, ziua sau noaptea, influențînd activitatea internă a celulelor pentru a le calibra la momentul zilei, mai ales la starea de trezire sau de somn. Aceste mecanisme genetice interne pot fi recalibrate sub influența diverșilor Zeitgebers, așa cum se întîmplă atunci cînd organismul se ajustează la un nou fus orar. Cei trei cercetători americani care au descoperit aceste gene au fost laureați ai premiului Nobel în 2017, iar cercetarea rolului lor continuă. 

Pe lîngă ritmul circadian, există și alte moduri în care celulele țin cont de timp. Astfel, în cursul dezvoltării multor organisme, niște molecule numite factori temporali (temporal factors) sînt activate pe rînd, definind și cizelînd identitatea celulelor din creier, contribuind astfel la formarea diferitelor tipuri de neuroni. În plus, schimbări ale tempo-ului cu care se dezvoltă organismele fac parte dintr-un proces care contribuie la evoluția speciilor. În cursul dezvoltării vertebratelor au loc o serie de procese moleculare care definesc una din axele corpului, cea de la cap pînă la picioare, ce se derulează în aceeași ordine indiferent de specie. Deși această perioadă a dezvoltării este alcătuită din aceeași secvență de pași, procesul durează cam de două ori mai mult la oameni decît la șoareci. Ajustarea tempo-ului acestor procese, mai ales a vitezei cu care decurg diversele reacții biochimice din organism, contribuie la diversitatea speciilor. 

În romanul său Visele lui Einstein, fizicianul și scriitorul Alan Lightman își imaginează visele și gîndurile pe care Einstein le-ar fi putut avea cînd lucra la teoria relativității. În una din povestiri, Lightman deosebește între timpul „mecanic”, cel al ceasurilor, și timpul subiectiv al „corpului”. Potrivit acestei viziuni, omul trăiește fie ca o mașinărie care urmează timpul mecanic, fie ca individ schimbător indiferent la timpul mecanic, însă nu le poate trăi concomitent pe ambele. Ceasurile interne ale organismelor par totuși să fi ajuns la un fel de compromis, așa încît, deși sînt active potrivit unor mecanisme proprii, sînt influențate în moduri pe care încă le descoperim de schimbări ale condițiilor exterioare. 

Laura-Yvonne Gherghina este doctorandă la Departamentul de Fiziologie, Dezvoltare și Neuroștiințe al Universității din Cambridge.

Foto: wikimedia commons.