Biyolojik Saatler: Vücudumuz Zamanın Geçtiğini Nasıl Anlıyor?
Bu yılın Nisan ayında İspanyol atlet Beatriz Flamini bir mağarada 500 gün kaldıktan sonra gün ışığına çıktı. Onun yeraltına inişi muhtemelen uzun bir aradan sonra gerçekleştirilen en uzun iniştir. Flamini 65. günde tüm zaman duygusunu kaybettiğini söylüyor. Ama gerçekten 65. gün olduğundan emin olabilir mi? Karşılaştırma yapmak gerekirse, 1962’de Fransız Michel Siffre İtalya’daki Scarasson uçurumunda 33 gün geçirdikten sonra yüzeye çıkmıştı. Aslında yeraltında 58 gün geçirmişti.
Hayatın saatlerinin tik takları
İzole olmuş insanlar çevrelerinden kopuk olsalar bile zamanı nasıl düzenli olarak takip edebiliyorlar? Oldukça basit, çünkü biyolojik ritimler yaşamın kalbinde yer alır ve onu moleküler düzeyden tüm vücut düzeyine kadar düzenler. Bunlar sadece uyku/uyanıklık döngülerimizi değil, aynı zamanda vücut ısısını, hormonları, metabolizmayı ve kardiyovasküler sistemi de içerir.
Ve bu ritimlerin, en azından halk sağlığı açısından birçok yansıması vardır. Gerçekten de bir dizi hastalık epizodiktir – örneğin astım geceleri daha şiddetli seyrederken, kardiyovasküler kazalar sabahları daha sık görülür. Bir başka örnek de insanları çevrelerinden koparan vardiyalı çalışmadır. İşçilerde kanser riskinin artmasıyla ilişkili olabilir ve DSÖ’nün bunu olası kanserojen olarak etiketlemesine yol açmıştır.
Ritimler diğer türlerle etkileşimimizi de etkiler. Örneğin, uyku hastalığı olarak da adlandırılan Afrika tripanosomiyazisi, tıpkı bağışıklığımız gibi metabolizması da günlük olan Trypanosoma brucei parazitinin neden olduğu günlük ritmimizin bir bozukluğudur.
Genler: büyük saat yapımcıları
Dünya, Ay ve Güneş’in dönüşleri, biyolojik saatlerin seçilmesini destekleyen çevresel döngüler oluşturur.
Biyolojik saat, çevresel bir sinyalin yokluğunda kendi frekansında çalışan, organizmaların içinde bulunan bir mekanizmadır. Örneğin, gece ve gündüzün düzenli olarak değişmesi sirkadiyen saatin (circa, “yaklaşık” anlamına gelir ve diem, “gün”) evrimini desteklemiştir.
Meyve sineği, bilim insanlarına iç saat veya bağışıklık sistemi gibi birçok gelişimsel ve fizyolojik süreci moleküler ve hücresel düzeyde analiz etmek için mükemmel bir model sunmaktadır. Resim Kredisi: Géry Parent/Flickr, CC BY-ND
Sirkadiyen saat mekanizması ilk olarak 1970’lerde Drosophila olarak da bilinen meyve sineğinde keşfedilmiştir. Birkaç genin transkripsiyonu ve translasyonundaki geri besleme döngülerine dayanır – A geni B geninin ifadesini teşvik eder, bu da A geninin ifadesini engeller – bir salınım yaratır. Gün boyunca ışık, kriptokrom adı verilen bir fotoreseptör aracılığıyla döngünün belirli faktörlerinin azalmasına neden olur. İlginç bir şekilde, mekanizmadaki kilit faktörler esasen sadece periyot, zamansız, saat ve döngü olarak adlandırılan birkaç genden oluşmaktadır. Bununla birlikte, saatin ince ayarı ve düzenlenmesi, zamanlamasını ve hassasiyetini sağlayan karmaşık bir moleküler ve nöronal ağa dayanmaktadır.
Büyük memelilerin saat mekanizması da incelenmiştir. Bitkiler ve mantarlar gibi bu memelerin üzerinde oturduğu ağaçların da biyolojik saatleri vardır. Resim Kredisi: Shirley Clarke/Wikipedia, CC BY-SA
Saat genleri türden türe değiştiğinden, tüm yaşamı düzenleyecek tek ve kapsayıcı bir sirkadiyen saat yoktur. Ancak prensip aynıdır: ifadesi salınan genler. Biyolojik ritimler şimdiye kadar incelenen tüm taksonlarda (organizma grupları) tanımlanmıştır; bunlar arasında siyanobakteriler (fotosentez yoluyla enerji elde eden bir bakteri türü), mantarlar, bitkiler ve insanlar da dahil olmak üzere hayvanlar bulunmaktadır.
Buna ek olarak, çeşitli zaman vericiler (zeitgebers) organizmayı çevresiyle senkronize eder: özellikle ışık (bugüne kadar en çok çalışılan), sıcaklık ve gıda.
Çevre tarafından senkronize edilen bir iç saat
Bu sirkadiyen saatin çok somut bir uygulaması jet lag ile ilgilidir. Bu, bireyin iç ritminin içinde bulunduğu zaman diliminin saatinden sapmasıdır.
Genel olarak çevresel sinyaller ve özellikle de ışık, bireyin yeniden senkronize olmasına yardımcı olur: gecenin sonunda algılanan ışık saati ileri alırken, gecenin başında algılanan ışık geciktirir. Gün içinde algılanan ışığın hiçbir etkisi yoktur. İnsanlarda ışık doğrudan moleküler saat tarafından algılanmaz, ancak retinada yakalanır ve daha sonra retino-hipotalamik yol üzerinden merkezi bir saate iletilir ve burada saat proteinlerinin sentezini modüle eder. Ancak sistem sonsuz ölçeklenebilir değildir: insan vücudunun bir saatlik zaman farkına uyum sağlaması yaklaşık bir gün sürer.
Homo sapiens’in ortalama 24,2 saat süren içsel sirkadiyen periyodu ile batıya seyahat edip günlerimizi uzatmak, doğuya seyahat edip kısaltmaktan daha kolaydır. Bu aynı zamanda kendilerini Dünya’nın derinliklerinde izole eden sporcuların ve araştırmacıların yüzeydeki zamanla senkronize olamamalarının ve nihayetinde 24 saatlik güneş günlerinden daha az gün algılamalarının nedenidir.
Başka zamanlar, başka saatler
Sirkadiyen saat doğada var olan tek saat mekanizması değildir. Birçok kuş ve böceğin göçü, birçok hayvan türünün üremesi ve kış uykusuna yatması ve bitkilerin çiçek açması gibi birçok biyolojik süreç mevsimseldir. Bu mevsimsellik genellikle, birçok türün durumunda yıllık saat olarak bilinen şey de dahil olmak üzere çeşitli faktörler tarafından belirlenir. Bu saatin mekanizması henüz belirlenememiştir.
Kısmen okyanusların karmaşık zamansal yapısı nedeniyle deniz türlerindeki saat mekanizmaları da bilinmemektedir. Deniz organizmaları, en belirgin olanı gelgit döngüsü (12,4 saat veya 24,8 saatlik bir periyotla) olan bir dizi ay döngüsünün üzerine bindirilmiş, gece ve gündüzün dönüşümlü olduğu güneş döngüsüne maruz kalmaktadır. Ayın evreleriyle bağlantılı yarı ay ve ay döngüleri (14.8 gün/29.5 gün) de ışık ve gelgit yoluyla deniz ortamını güçlü bir şekilde değiştirir. Mevsimler de bu ekosistemleri etkiler.
Derin okyanuslardan numune almak her zaman teknik bir zorluktur: bu derin denizlere erişim zordur, karanlığa gömülür ve çok yüksek basınçlara maruz kalır. Bunları keşfetmek için bir dalgıç gerekir, bu durumda Victor6000. Resim Kredisi: JY Collet//Ifremer
Hidrotermal midyelerin biyolojik ritimlerini gerçekçi koşullar altında incelemek için, ROV kullanılarak örneklenmiş ve daha sonra doğrudan okyanus tabanında, 1.700 metre derinlikte, biyolojik zamanlarını ‘donduran’ bir çözelti içinde muhafaza edilmişlerdir. Bu örnekler kırmızı ışık altında ve çok hassas bir şekilde, toplam 24 saat 48 dakika boyunca her 2 saat 4 dakikada bir alındı. Resim Kredisi: Ifremer/Nature Communications, CC BY
Karmaşık olsa da, deniz ortamlarının zamansal yapısı öngörülebilirdir ve tüm bu döngülerle bağlantılı biyolojik ritimler deniz türlerinde tanımlanmıştır. Örneğin, birçok mercan üremelerini senkronize ederek çok kısa bir süre içinde yılda bir kez yumurta bırakır. Bazı deniz solucanları, yumurtlamadan ve ölmeden önce üreme danslarını başlatmak için gecenin en karanlık saatlerinde tam olarak ayda bir kez toplanırlar.
İlginç bir şekilde, 2020 yılında bilim insanlarından oluşan ekibimiz biyolojik ritimlerin kıyı ortamıyla sınırlı olmadığını ortaya koydu. Orta Atlantik sırtının hidrotermal bacalarında yaşayan bir midyede, 1.700 metre derinlikte davranış ve gen ifadesinde gerçekten de ritimler gösterdik. Çalışmamız, fizyolojideki zamansal koordinasyonun, derin okyanus gibi en uç yaşam ortamlarında bile muhtemelen kritik öneme sahip olduğunun altını çizmektedir.The Conversation
Audrey Mat, Deniz Biyolojisi ve Kronobiyoloji Araştırmacısı, Viyana Üniversitesi
Kaynak: https://www.iflscience.com
Derleyen: Figen Berber