Tańczące pszczoły i ciepły kocyk. Mechanizmy zegara biologicznego

Ostatnie lata wyjątkowo obfitują w prace nad mechanizmami zegara biologicznego. Postęp w biologii molekularnej i genetyce dał nam niemal całościowy wgląd w działanie tego koordynatora ważnych funkcji naszego organizmu. Odkrycia te były tak znaczące, że w 2017 roku, nagrodę Nobla z fizjologii.

Czy zastanawiałeś się kiedyś w jaki sposób pszczoła informuje swoich kompanów w ulu o położeniu pokarmu na łące? Jaka zdolność biologiczna tego małego owada wpływa na możliwość dzielenia się tak cenną wiadomością? Zapraszam Cię w podróż w czasie za zachodnią granicę, gdzie właśnie jest rok 1965. Austriacki biolog Karl von Frisch wydaje swoje dzieło „The Dance, Language and Orientation of Bees”, w którym, jako pionier doświadczeń nad zachowaniem zwierząt opisuje unikatowy język komunikacji pszczół. 8 lat później, w 1973 roku, Frisch otrzymuje nagrodę Nobla z fizjologii lub medycyny za odkrycia dotyczące organizacji i wywoływania wzorców zachowań. Frisch wykazał, że pszczoły znajdując pokarm wykonują specjalny rodzaj tańca, który informuje inne pszczoły o kierunku i

odległości do celu- pożywienia.

Frisch nazywał je odpowiednio- „Round dance”, taniec okrężny i „Waggle dance”, taniec . Round dance jest typem tańca promowanym przez pszczoły wtedy, gdy pokarm znajduje się blisko. W przypadku, kiedy odległość od źródła pożywienia przewyższa 100 metrów, pszczoła wykonuje „Waggle dance”.

Pszczoła ma zdolność do odnotowania położenia zarówno źródła pokarmu, jak i kierunku promieni słonecznych. Zobaczmy na rycinie, że ze skojarzenia prostych poprowadzonych wzdłuż kierunku promieni słonecznych i źródła pokarmu powstaje pewien kąt a. Pszczoła wykonuje ruchy takie, że długa oś ruchu, tego wspomnianego tańca, pokrywa się z osią na której leży źródło pokarmu.

Przenosząc ten taniec do ula, inne pszczoły bacznie obserwują tańczącego przybysza, a po osi tańca pszczoły i lokalizacji promieni słonecznych możliwa jest lokalizacja kierunku pokarmu. Ciekawostką jest też fakt, że szybkość poruszania się pszczoły determinuje odległość pożywienia od ula.

O czym informuje nas to odkrycie i dlaczego jest takie ważne? Odkrycie von Frischa stało się ważnym punktem wyjściowym dla badania mechanizmów zegara biologicznego, bo przecież  percepcja światła słonecznego i jego analiza przez mózg owada wyzwala reakcje biochemiczne, które skutkują odpowiednią odpowiedzią fizjologiczną. Ostatnie lata wyjątkowo obfitują w prace nad mechanizmami zegara biologicznego. Postęp w biologii molekularnej i genetyce dał nam niemal całościowy wgląd w działanie tego koordynatora ważnych funkcji naszego organizmu. Odkrycia te były tak znaczące, że w 2017 roku, nagrodę Nobla z fizjologii lub medycyny otrzymali: Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young, za odkrycia mechanizmów molekularnych kontrolujących rytm dobowy.

W jaki sposób budzimy się i zasypiamy? Jakie zmiany zachodzą w komórkach i co za nie odpowiada? 

A zatem postawmy sobie ważne pytanie: W jaki sposób budzimy się i zasypiamy? Jakie zmiany zachodzą w komórkach i co za nie odpowiada? Badania nad zegarem biologicznym wyróżniają 3 jego składowe: oscylator, szlaki nerwowe biegnące do oscylatora z zewnątrz organizmu, informujące o stanie środowiska zewnętrznego, i szlaki nerwowe biegnące z oscylatora do narządów organizmu, regulujące pracę poszczególnych narządów zależnie od pory dnia, lub nocy. Nie można zapomnieć o oscylatorach peryferycznych, które znajdują się w większości narządów i mogą w kontakcie z oscylatorem centralnym zawiadować pracą narządów. Dowód? Możemy przekonać się o tym namacalnie, chociażby po częstości uderzeń serca- która jest inna podczas dnia, a inna w nocy; czy stężenia wielu hormonów we krwi, które wykazują dobowy zakres wahań. U ssaków oscylator, czyli wspomniany centralny zegar biologiczny stanowi jądro nadskrzyżowaniowe podwzgórza, będące zgrupowaniem kilkunastu tysięcy komórek nerwowych. W jaki sposób podwzgórze może odebrać informację o porze dnia, lub nocy i do tej informacji dostosować swoją aktywność? Odpowiedzią jest oko. Jedną z warstw ściany gałki ocznej, jest leżąca najbardziej wewnętrznie siatkówka, która zawiera komórki światłoczułe mogące odebrać impuls świetlny. U ssaków powstanie potencjałów elektrycznych w komórkach siatkówki prowadzi do przekazania informacji w postaci impulsu nerwowego do jądra nadskrzyżowaniowego podwzgórza, a potem do szyszynki i hormonalnie informacja trafia do różnych narządów. Dobrze opisany mechanizm molekularny został opisany u muszki owocówki, i na zrozumieniu pracy jej zegara biologicznego postaramy się skupić. Geny odpowiedzialne za pracę zegara u muszki owocówki to: period (per), clock (clk), timeless (tim) i cycle (clc). Białka powstałe w wyniku transkrypcji genów clk i cyc, odpowiednio CLK i CYC działają jako czynniki transkrypcyjne odpowiadając za ekspresję genów per i tim. Ma to miejsce na początku nocy i wtedy też powstałe w wyniku tej ekspresji liczne białka TIM i PER tworzą heterodimery, które przedostają się z miejsca ich syntezy, czyli cytoplazmy, do jądra komórkowego. Heterodimery białek „nocnych”, po przedostaniu się do jądra komórkowego hamują białka CLK i CYC, czego skutkiem jest zahamowanie tworzenia TIM i PER. Możemy powiedzieć, że jest to mechanizm obronny przed nadprodukcją TIM i PER i przestawieniem metabolizmu na ten związany z nocą w nieproporcjonalnym stopniu. Wspomnieliśmy o świetle UV i siatkówce.

W obszarach mózgu muszki owocówki zaangażowanych w kontrolę cyklu dzień- noc znajduje się białko CRY. Białko to jest receptorem fali elektromagnetycznej ze światła UV i po zmianie konformacji pod wpływem owej fali ma zdolność do dezaktywacji białka TIM, przez co możliwe jest zahamowanie istnienia kompleksów białek „nocnych”, i możliwość zmiany metabolizmu na taki, jak istnieje podczas dnia. Zmiany zachodzące w oscylatorze centralnym są wysyłane do oscylatorów obwodowych, które już konkretnie przygotowują dany narząd do zmiany aktywności. Mówiąc o mechanizmach związanych ze snem, nie można pominąć melatoniny, tak ważnej u ssaków. Ten hormon produkowany jest przez szyszynkę na skutek zmian metabolizmu jądra nadskrzyżowaniowego. Melatonina działa na receptory MT1 i MT2 w ośrodkowym układzie nerwowym wykazując działanie stabilizujące rytm snu i czuwania, spowalniające pracę układu pokarmowego i antyoksydacyjne. Ostatnie badania pokazują, że wiele z chorób ma związek ze zbyt niskim poziomem melatoniny. Warto tutaj wymienić: schizofrenię, chorobę Alzheimera, raka sutka, odbytnicy, endometrium, szyjki macicy, płuc, żołądka i tarczycy. Niedawne badania pokazały, że melatonina może skutecznie hamować podziały komórkowe pewnych linii komórek nowotworowych, takich jak: S-19, B-16, komórek czerniaka, czy komórek raka sutka. Są już dowody naukowe, że dodawanie melatoniny do niektórych schematów leczenia chemioterapeutycznego może poprawić skuteczność i tolerancję chemioterapii. O tym, że odpowiednia długość snu i jego higiena są ważne, nie trzeba przekonywać. Dbajmy o komfort swojego wypoczynku, zwłaszcza wtedy, kiedy intensywnie się uczymy. Często to brak snu i przewlekłe zmęczenie są powodem wielu niepowodzeń w szkole, które można często prosto rozwiązać: odpowiednią długością, spokojnego, niezakłóconego snu.

W 2017 roku, nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny otrzymało trzech naukowców. Tobie również tego życzymy, a że we współczesnej nauce sukcesu odnosi się nie samemu, lecz w zespole, teamie, zapraszamy Cię do skorzystania z szerokiej oferty, którą oferujemy jako zespół Naukowców Dwóch, gdzie razem przygotujemy Cię do matury i pomożemy otworzyć drzwi do wymarzonej przyszłości. Do zobaczenia!

Bibliografia

W opracowaniu wykorzystano informacje i grafiki pochodzące z publikacji:

1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4073891/
2. https://wszechswiat.ptpk.org/index.php/wszechswiat/article/view/130
3. https://thewellnessjunction.com/10-steps-for-a-good-nights-sleep/
4. https://learninginhoneybees.weebly.com/communication.html
5. https://what-when-how.com/insect-molecular-biology-and-biochemistry/molecular-and-neural-control-of-insect-circadian-rhythms-part-5/
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Waggle_dance#/media/File:Bee_dance.svg
7. https://www.newscientist.com/article/mg21128264-600-robobee-speaks-honeybee-dance-language/
8. https://phmd.pl/resources/html/article/details?id=51701&language=en
9. https://pl.depositphotos.com/vector-images/molecule-of-the-hormone-melatonin.html