ممکن است در یک بعدازظهر داغ تیرماه از شدت گرما عرق کنید، اما به‌محض رسیدن عصر، درست سر وقت احساس خواب‌آلودگی کنید. پژوهش جدیدی نشان می‌دهد که ساعت زیستی بدن، حتی در گرما نیز ضرب‌آهنگ ۲۴ ساعته خود را حفظ می‌کند؛ با این ترفند که به‌طور نامحسوس، بالا و پایین شدن فعالیت ژن‌ها در طول روز را تغییر می‌دهد.
این تحقیق توسط فیزیک‌زیست‌شناس نظری، «گن کوروساوا»، در مرکز علوم نظری و ریاضی بین‌رشته‌ای RIKEN (iTHEMS) ژاپن انجام شده است.
چرا گرما واکنش‌ها را سریع‌تر می‌کند؟
برخورد مولکول‌ها در دمای بالا بیشتر می‌شود
اکثر واکنش‌های شیمیایی با افزایش دما سریع‌تر می‌شوند، چون گرما باعث می‌شود مولکول‌ها بیشتر با هم برخورد کنند.
اما یک مشکل وجود دارد…
اگر این وضعیت کنترل نشود، فیزیک پایه‌ای باعث می‌شود که تمام فرآیندهای سلولی نیز شتاب بگیرند. با این حال، موجودات زنده مکانیسمی به نام جبران دمایی (temperature compensation) دارند که ساعت زیستی آن‌ها را تقریباً بدون تغییر نگه می‌دارد.
ضریب Q10؛ معیاری برای سنجش تأثیر دما
زیست‌شناسان از مقداری به نام ضریب Q10 استفاده می‌کنند تا بسنجند دما چگونه واکنش‌ها را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد. حتی افزایش کوچکی به اندازه ۱۰ درجه فارنهایت، می‌تواند سرعت بسیاری از فرآیندهای زیستی را دو برابر کند. این نشان می‌دهد چقدر بعید است که ساعت بدن بدون تغییر بماند.
چگونه ساعت بدن ثابت باقی می‌ماند؟
مشاهده تاریخی کُلین پیتِندِرای (Colin Pittendrigh)
در سال ۱۹۵۴، این دانشمند مشاهده کرد که مگس‌های میوه، حتی زمانی که دمای اتاقشان تغییر می‌کرد، دقیقاً طبق زمان‌بندی خاصی از تخم خارج می‌شدند. این کشف باعث شد محققان باور کنند ساعت بدن دارای ترمزهای درونی برای مقابله با تأثیر دما است.
مدل‌های شیمیایی رقابتی
مدل‌های بعدی پیشنهاد دادند که حلقه‌های شیمیایی رقیب باعث طولانی یا کوتاه شدن چرخه می‌شوند تا اثرات دما را خنثی کنند. با این حال، این مدل‌ها نمی‌توانند تمام جزئیات منحنی‌های واقعی فعالیت ژن‌ها را توضیح دهند.
ساعت بدن شکل خود را تغییر می‌دهد، نه سرعتش
کشف تیم کوروساوا: «تحریف شکل موج» (Waveform Distortion)
یافته‌های تیم کوروساوا نشان داد که راه‌حل تنظیم سرعت نیست، بلکه تغییر شکل ریتم است. آن‌ها این پدیده را «تحریف شکل موج» نامیدند.
در دماهای بالا، سطح mRNA (پیام‌رسان ژن) سریع‌تر بالا می‌رود، مدت‌زمان بیشتری در اوج می‌ماند، سپس آرام‌تر کاهش می‌یابد. این باعث می‌شود یک طرف موج کشیده و طرف دیگر فشرده شود.
نتیجه: ثبات چرخه با حفظ مساحت زیر منحنی
با وجود تغییر شکل، مساحت زیر منحنی – که به‌طور غیرمستقیم بیانگر میزان تولید پروتئین است – ثابت می‌ماند. این باعث می‌شود طول کلی چرخه بدون تغییر باقی بماند.
در نمودار، شکل موج از حالت سینوسی صاف به موج دندانه‌دار و نامتقارن شبیه دندانه اره تبدیل می‌شود. همین تغییر هندسی، کافی است تا ساعت بدن تنظیم بماند.
یک ترفند ریاضی برای درک زمان در گرما
استفاده از روش گروه بازنرمال‌سازی (Renormalization Group)
برای توضیح این پدیده، پژوهشگران از تکنیک ریاضی‌ای به نام روش گروه بازنرمال‌سازی استفاده کردند. این تکنیک معمولاً برای سیستم‌های آشفته و پیچیده مانند آشفتگی سیالات به کار می‌رود.
این روش، ستون فقرات کند و پایه‌ای معادلات را استخراج می‌کند و نشان می‌دهد که تنها بخش کاهشی موج باید آرام شود تا با سرعت‌گیری طبیعی مقابله کند.
نتیجه‌گیری قابل آزمایش
تحلیل آن‌ها به صورت تحلیلی (نه فقط شبیه‌سازی‌شده) بود، و پیش‌بینی‌های دقیقی ارائه می‌دهد درباره اینکه کدام قسمت موج هنگام افزایش دما باید کشیده شود. این پیش‌بینی‌ها با داده‌های تجربی حاصل از ثبت زمان‌بندی ژن‌های ساعت با لوکيفراز مطابقت دارد.
ساعت بدن حیوانات با مدل مطابقت دارد
آزمایش روی مگس، موش و قارچ کپکی
مگس میوه، موش‌ها و حتی قارچ‌های نان کپکی، همگی شکل موج پیش‌بینی‌شده را در دمای بالا نشان می‌دهند. آزمایش‌های با شوک حرارتی نیز نشان می‌دهند که پروتئین‌های PER و TIM دقیقاً طبق الگوی پیش‌بینی‌شده حرکت می‌کنند.
در مگس‌هایی که دارای جهش ژنی perL هستند، تحریف شکل موج شدیدتر است و دوره زمانی چرخه نیز واقعاً طولانی‌تر می‌شود. این یافته نشان می‌دهد که حتی یک تغییر ژنتیکی کوچک، می‌تواند تعادل ساعت را به‌هم بزند.
تأثیر شکل موج بر خواب و کار شیفتی
ساعتی قوی‌تر، اما کم‌انعطاف‌تر
ساعتی که استوارتر است، در شرایط عادی خوب عمل می‌کند، اما زمانی که از چند منطقه زمانی عبور می‌کنید یا شب‌کاری دارید، مشکل‌ساز می‌شود.
مدل‌سازی‌ها نشان می‌دهند هرچه شکل موج تحریف‌شده‌تر شود، محدوده‌ی نوری قابل‌تطبیق برای تنظیم ساعت تنگ‌تر می‌شود؛ در نتیجه، غلبه بر پرواززدگی (jet lag) و خستگی شب‌کاری دشوارتر می‌شود.
کوروساوا می‌گوید: «میزان تحریف شکل موج در ژن‌های ساعت زیستی، می‌تواند به عنوان یک نشانگر زیستی (biomarker) برای درک بهتر اختلالات خواب مورد استفاده قرار گیرد.»
برخی داروهای آزمایشی که روی نرخ واکنش‌ها اثر می‌گذارند، ممکن است به همین دلیل که شکل موج را نادیده گرفته‌اند، هرگز به مرحله درمانی نرسیده باشند.
گرما و نور، ریتم‌ها را تغییر می‌دهند
تغییر ریتم بدن در زمستان تاریک و تابستان روشن
تغییر در شکل ریتم ساعت بدن، بر پاسخ آن به تاریکی زمستان و نور شدید تابستان نیز تأثیر می‌گذارد. این مسئله نشان می‌دهد احتمالاً بین دما و تغییرات خلق‌وخوی فصلی، یک پیوند مولکولی وجود دارد.
حشرات در محیط‌هایی با دمای متغیر، با تأخیر نسبت به طلوع واکنش نشان می‌دهند؛ چون موج تحریف‌شده، در برابر نشانه‌های طلوع مقاومت می‌کند.
در ژانویه، موج تحریف‌شده ممکن است به پرندگان مهاجر بگوید که زمان کوچ فرارسیده است، یا به زنبورها نشان دهد که دیرتر باید برای جمع‌آوری غذا پرواز کنند. این اطلاعات می‌توانند برای طراحی سیستم‌های نورپردازی هوشمند مفید باشند؛ سیستم‌هایی که با تغییر دما، طیف و شدت نور را نیز تغییر دهند.
از شکل موج تا گزینه‌های درمانی
اکنون پژوهشگران باید آنزیم‌هایی را شناسایی کنند که باعث کاهش آهسته‌تر mRNA ساعت در شب می‌شوند، و همچنین به‌دنبال داروهایی بگردند که بتوانند این فرآیند را به‌طور ظریفی تغییر دهند.
همچنین، دانشمندان می‌خواهند بدانند آیا سن، رژیم غذایی یا تنوع ژنتیکی بر میزان انعطاف‌پذیری شکل موج تأثیر می‌گذارند یا خیر. این یافته‌ها می‌توانند مسیرهایی برای درمان‌های زمانیِ شخصی‌سازی‌شده باز کنند.
پاسخ به این سؤالات همچنین مشخص خواهد کرد که آیا الگوهای شکل موج می‌توانند به‌عنوان نشانگر هشداردهنده زودهنگام برای بیماری‌های متابولیکی عمل کنند یا نه.
نتیجه‌گیری
پژوهش تازه نشان می‌دهد که ساعت بدن انسان، به‌جای تنظیم سرعت خود در گرما، با تغییر هوشمندانه شکل ریتم‌های درونی‌اش، زمان را تنظیم می‌کند. این کشف نه‌تنها پرده از پیچیدگی حیرت‌انگیز بدن برمی‌دارد، بلکه فرصت‌های جدیدی برای درمان اختلالات خواب، خستگی شغلی و حتی بیماری‌های متابولیکی فراهم می‌سازد.
منتشر شده در ژورنال PLOS Computational Biology
