Egy cirkadián ritmus („napi biológiai óra”) olyan, nagyjából 24 órás ciklus, ami az élőlények (növények, állatok, gombák, cianobaktériumok) biokémiai, fiziológiai folyamataiban vagy viselkedésében lép fel. A „cirkadián” (circadian) kifejezés Franz Halbergtőlcite web|url=http://www.msi.umn.edu/~halberg Halberg Chronobiology Centre származik, a latin circacite web|url=http://latinszotar.hu/magyar-latin-szotar/forditas/k%C3%B6r/ (körül) és dies, diei (nap) szavakból, szó szerinti jelentése „körülbelül egy nap(os)”. A biológiai ritmusok, ciklusok (napi, árapályhoz köthető, heti, évszakos, éves ciklusok) vizsgálatával foglalkozó résztudomány neve kronobiológia.
A cirkadián ritmusokat az élőlény saját belső időmérő rendszere vezérli, amit külső, szinkronizáló stimulusok (zeitgeberek) is segítenek. A legfontosabb közülük a napfény. Ezek a ritmusok teszik lehetővé, hogy az élőlények alkalmazkodni tudjanak a környezeti körülmények szabályos váltakozásaihoz, és fel tudjanak készülni rájuk.
Az egy naposnál rövidebb periódusidejű ciklusokat ultradián, a hosszabb periódusidejűeket infradián ritmusnak nevezik.
Története A cirkadián ritmus első dokumentált megfigyelése Androszthenészhez fűződik, aki a Kr. e. 4. században Nagy Sándor hadjáratainak megörökítésekor egy tamarinduszfa leveleinek napi mozgását is leírta. Az endogén (belső eredetű) cirkadián oszcilláció első modern megfigyelése az 1700-as években élt francia tudós, Jean-Jacques d'Ortous de Mairan érdeme. Ő azt is észrevette, hogy a szemérmes mimóza (Mimosa pudica) növény leveleinek mozgásában megfigyelhető 24 órás mintázat akkor sem szűnik meg, ha a növényt teljes sötétségben tartva megfosztja a fényhatás külső (exogén) stimuláló hatásától. Kísérleteit mintegy 30 évvel később ismételték meg (Hill, 1757;Hill, H.D. (1757). The Sleep of Plants. (London: R. Baldwin) Duhamel duMonceau, 1759;Duhamel duMonceau, H.L. (1759). La Physique des Arbres. (Paris: H.L. Guerin and L.F. Delatour) Zinn, 1759Zinn, J.G. (1759). Von dem Schlafe der Pflanzen. Hamburg. Mag. 22, 40–50.), ezekben a vizsgálatokban már a hőmérséklet változásának stimuláló hatását is kizárták. 1832-ben de Candolle meghatározta a mimóza szabadon futó ritmusának hosszát (22-23 óra között), ami határozottan rövidebb egy napnál. Megmutatta továbbá, hogy a ritmus megfordítható, ha a növényt érő világosság és sötétség váltakozását megfordítja.de Candolle, A.P. (1832). Physiologie Végétale. (Paris: Bechet Jeune)
1918-ban J. S. Szymanski kimutatta, hogy az állatok képesek a 24 órás alvás-ébrenlét ciklus fenntartására még akkor is, ha a fény és a hőmérséklet változásától, mint külső stimulustól elvágja őket.
Kritériumok
Ahhoz, hogy meg lehessen különböztetni a tényleges, endogén eredetű cirkadián ritmusokat a látszólagosaktól, három fő kritériumnak kell megfelelniük: 1) a ritmus fennmarad külső stimulus nélkül is, 2) a hőmérséklettől független és 3) a ritmus képes átállni a helyi időnek megfelelően. Részletesebben:
A ritmus állandó körülmények között (például teljes sötétségben) is fennmarad, kb. 24 órás periódusidővel. Ennek a feltételnek az a szerepe, hogy megkülönböztesse a cirkadián ritmusokat az olyan látszólagosan cirkadián ritmusoktól, amik csak periodikus külső stimulusokra adott válaszreakciók. Egy ritmust nem nevezhetünk endogénnek, ha nem lett tesztelve külső, periodikus befolyásoló tényezők nélkül. A ritmus hőmérséklet-független, tehát megtartja periódusidejét különböző hőmérsékleti tartományokban. Ez a feltétel megkülönbözteti a cirkadián ritmusokat az olyan biológiai ritmusoktól, ahol a ritmust egy kémiaireakció-útvonal periodikus természete generálja. Kellően alacsony vagy magas hőmérsékleten valamely cirkuláris reakció periódusideje beállhat éppen 24 óra körüli értékre, de ez csak véletlen egybeesés. A ritmus külső stimulus hatására újraindítható. Ez segít megkülönböztetni a cirkadián ritmusokat olyan más lehetséges endogén 24 órás ritmusoktól, melyek immunisak a külső stimulusokra, így nem alkalmasak a helyi idő megbecsülésére. Az időzónák közötti utazás problémái jól illusztrálják a biológiai óra beállításának szükségességét, hogy az a helyi időt tükrözze vissza. Amíg a ritmus újra beáll, az utazó rendszerint jetlagben szenved.
Kialakulása A fényérzékeny fehérjék és a cirkadián ritmusok tudomásunk szerint a legősibb sejtekben alakultak ki, azért, hogy a DNS replikációjának érzékeny folyamatát megóvják a nap közbeni magas ultraibolya sugárzás káros hatásától. Ezek eredményeként a replikáció éjszaka, sötétben történt.http://www.scienceagogo.com/news/20070101164743data_trunc_sys.shtml UV Damage To DNA ClockedSelene S. Nikaido and Carl Hirschie Johnson: Daily and Circadian Variation in Survival From Ultraviolet Radiation in Chlamydomonas reinhardtii A recens Neurospora gombában máig jelen van ez az időzítési mechanizmus. A ritmusok a környezet állapotával való koordináció mellett igen fontosnak bizonyultak az egyedben zajló, ciklikus biokémiai folyamatok szabályozásában is. Ezt sugallja a kísérlet, melyben állandó laboratóriumi körülmények között tartott több száz generációnyi ecetmuslicán bizonyították a cirkadián ritmusok örökletes természetét (Sheeba et al. 1999Sheeba V, Sharma VK, Chandrashekaran MK, and Joshi A: Persistence of eclosion rhythm in Drosophila melanogaster after 600 generations in an aperiodic environment. ), továbbá azok a kutatások, melyek során sikerült megszüntetni a japán fürjek viselkedésbeli cirkadián ritmusait – ám a fiziológiaiakat nem (Guyomarc'h et al. 1998,Catherine Guyomarc'h; Sophie Lumineau; Jean-Pierre Richard: Circadian rhythm of activity in Japanese quail in constant darkness: variability of clarity and possibility of selection. Zivkovic et al. 1999Bora D. Zivkovic, Herbert Underwood, Christopher T. Steele, Kent Edmonds: Formal properties of the circadian and photoperiodic systems of Japanese quail: phase response curve and effects of T-cycles. ).
A legegyszerűbb ismert cirkadián óra a prokarióta cianobaktériumoké. Az újabb kutatások megmutatták, hogy a Synechococcus elongatus cirkadián órája in vitro is működésbe hozható, mindössze három fehérjére van szükség a központi oszcillátor létrehozásához.Carl Hirschie Johnson, Susan S. Golden, Masahiro Ishiura & Takao Kondo: Circadian clocks in prokaryotes Ez az egyszerű mechanizmus több napon keresztül képes volt ATP hozzáadásával fenntartani egy 22 órás ritmust. A prokarióták cirkadián ritmusát korábban csak egy DNS-transzkripciós és -transzlációs mechanizmus közbeiktatásával tudták elképzelni.
Nem ismerjük a választ arra a kérdésre, hogy az eukarióta szervezetek cirkadián ritmusaihoz mindenképp szükség van-e transzláció/transzkripció-alapú oszcillációs mechanizmusra. Bár az eukarióták és prokarióták cirkadián rendszerei ugyanazt az elvi felépítést követik: bemenet – központi oszcillátor – kimenet, nem homológak, amiből arra lehet következtetni, hogy egymástól függetlenül alakulhattak ki.
A biológiai óra egy genetikai összetevőjét 1971-ben sikerült azonosítania Ronald J. Konopkának és Seymour Benzernek, az ecetmuslicát használva modellszervezetként. A muslicák három, mutációt hordozó leszármazási vonala mutatott a normálistól eltérő viselkedést: az elsőnek a szokásosnál rövidebb volt a periódusideje, a másiknak hosszabb, a harmadik esetben teljesen hiányzott a periodicitás. Mindhárom mutáció egyetlen gént érintett, amit elneveztek period-nak (periódus). Harminc évvel később ugyanennek a génnek a hibáját mutatták ki a FASPS-szindrómás (Familial advanced sleep-phase syndrome; eltolódó alvási fázis-szindróma) betegekben – ez is megerősíti, hogy az evolúció során a molekuláris cirkadián óra jelentős része változatlanul megőrződött. Azóta a biológiai óra több összetevőjét sikerült azonosítani. Ezen összetevők kölcsönhatásai a gének termékeinek olyan, bonyolultan összefonódó, pozitív és negatív visszacsatolásokat egyaránt alkalmazó rendszerét eredményezik, melynek periodikus változásait a test sejtjei képesek a nap egy meghatározott időpontjaként értelmezni.
A biológiai órák kutatása a 20. század második felében indult be. Mára tudjuk, hogy a molekuláris cirkadián óra már egyetlen sejtben is működőképes („sejtautonóm”).Circadian gene expression in individual fibroblast...[Cell. 2004] - PubMed Result Ugyanakkor, az állati sejtek egymással kommunikálva képesek szinkronizált elektromos jelzéseket kibocsátani. Ezek az agy belső elválasztású mirigyeire hatást gyakorolhatnak, melyek így periodikusan hormonokat bocsátanak ki. Ezen hormonok receptorai a testben elszórva többfelé megtalálhatók, és szinkronizálják az egyes szervek saját periférikus óráit. Ezért lehetséges, hogy a szem által észlelt, időre vonatkozó információ az agyban lévő órához utazik, és azon keresztül a test többi része is szinkronba kerül. Ezen az úton hozza összhangba belső biológiai óránk pl. az alvás-ébrenlét, a testhőmérséklet, a szomjúság- és éhségérzet időzítését is.
Növényekben
Egyes növények turgormozgásának cirkadián ritmusát már az ókorban felismerték, a 18. századtól pedig tudományos vizsgálat tárgyává is tették. (Bővebben lásd az általános történeti részt.)
A 20. század második felében ismerték csak fel, hogy a levelek mozgása csak egy a növények cirkadián ritmusai közül. Ezek közé tartoznak még a csírázással, növekedéssel, enzimaktivitással, virágnyílással, fotoszintézissel és illatanyagok kibocsátásával kapcsolatos ritmusok (Cumming and Wagner, 1968Cumming, B.G., and Wagner, E. (1968). Rhythmic processes in plants. Annu. Rev. Plant Physiol. 19, 381–416.).
A növények fotoperiodizmusának működéséhez szükséges, hogy a nappalok hosszúságának változását a növény valamilyen módon érzékelje. A cirkadián ritmust felhasználó bonyolult folyamat kulcsa, hogy a nap késői szakaszában termelődő fehérje fényérzékenysége miatt rövid nappalokon elbomlik, hosszú nappalokon megmarad, a folyamat pedig továbbhaladva, például a virágzást beindíthatja.
Növényeknél a cirkadián ritmus jellemző modellorganizmusa a keresztesvirágúak (Brassicaceae) közé tartozó Arabidopsis thaliana (lúdfű).
Állatokban A cirkadián ritmusok fontos szerepet játszanak az állatok és az ember alvási és táplálkozási sémáinak meghatározásában. Tisztán látszik az is, hogy a belső testhőmérséklet, agyhullám-aktivitás, hormontermelés, sejt-regeneráció és más biológiai tevékenységek is a napi ritmusokhoz köthetők. Továbbá, a fotoperiodizmus mechanizmusa, tehát az élőlényeknek a nappalok és éjszakák hosszára adott fiziológiás válasza, ami a növények és állatok életében is fontos szerepet játszik, szintén a cirkadián rendszer segítségével tudja mérni és értelmezni a nappalok hosszúságát.
A világosság-sötétség ciklus hatása
A cirkadián ritmus kötődik a világosság és sötétség váltakozásához. A hosszabb időre teljes sötétségben tartott állatok (vagy emberek) előbb-utóbb szabadon futó ritmusra térnek át. Minden eltelt „nappal” az alvási ciklus eltolódik előre vagy hátra, attól függően, hogy az endogén periódusidő rövidebb vagy hosszabb 24 óránál. A környezeti stimulusokat, amik mindennap újraindítják a cirkadián ritmust, zeitgebernek nevezik (ném.: „idő-adó”). Érdekes, hogy a teljesen vak föld alatti emlősök (pl. földikutya, Spalax sp.) képesek fenntartani endogén óráikat a külső stimulusok nyilvánvaló hiányában is. A „szabadon futó” élőlények, ha egyébként egy hosszabb alvási periódus jellemző rájuk, ez a tulajdonságuk a külső stimulusoktól elszigetelve is megmarad. Ami változik, hogy az alvás-ébrenlét ritmusa nem lesz szinkronban a földi 24 órás nappal-éjszaka ciklussal – így fáziseltérésbe kerülhet más cirkadián vagy ultradián ritmusokkal, mint a testhőmérséklet változása vagy az emésztési ciklus.