الساعات البيولوجية: كيف يعرف جسمنا أن الوقت يمر؟

في أبريل من هذا العام، انبهر العالم بالقصة المذهلة للرياضية الإسبانية بياتريس فلاميني، التي خرجت من إقامة استمرت 500 يوم في كهف منفصل عن العالم الخارجي. تثير رحلة فلاميني إلى أعماق الأرض أسئلة مثيرة للاهتمام حول كيفية إدراك البشر، وجميع الكائنات الحية، للوقت وتتبعه عندما يكونون معزولين عن الإيقاعات الطبيعية ليلا ونهارا. تعد هذه القصة بمثابة خلفية رائعة لاستكشاف العالم المعقد للساعات البيولوجية وأهميتها في حياة جميع الكائنات الحية.

الإيقاعات البيولوجية هي نبضات الحياة نفسها، فهي تنظم كل شيء بدءًا من دورات النوم والاستيقاظ وحتى عمل نظام القلب والأوعية الدموية لدينا. ترتبط هذه الإيقاعات ارتباطًا وثيقًا بصحتنا، حيث تظهر أمراض مثل الربو وحوادث القلب والأوعية الدموية أنماطًا تعتمد على الوقت. بالإضافة إلى ذلك، تم ربط ظواهر مثل العمل بنظام الورديات، والتي تعطل الدورة الطبيعية ليلا ونهارا، بزيادة مخاطر الإصابة بالسرطان، مما يسلط الضوء على الدور الحيوي للإيقاعات البيولوجية في رفاهيتنا.

هذه الإيقاعات لا تقتصر على البشر ولكنها تمتد إلى التفاعلات مع الأنواع الأخرى. على سبيل المثال، داء المثقبيات الأفريقي، المعروف باسم مرض النوم، يعطل إيقاعاتنا اليومية بسبب طفيل المثقبية البروسية، الذي يتوافق استقلابه مع أنماط مناعتنا اليومية.

الجينات: صانعو الساعات البيولوجية العظماء

تخلق دورات الأرض والقمر والشمس دورات بيئية أثرت على تطور الساعات البيولوجية في الكائنات الحية. هذه الساعات البيولوجية هي آليات داخلية تعمل بوتيرتها الخاصة في غياب الإشارات الخارجية. على سبيل المثال، تطورت الساعة البيولوجية، التي تنظم الإيقاعات اليومية، بسبب التناوب المنتظم بين الليل والنهار.

تم اكتشاف الساعة البيولوجية لأول مرة في ذباب الفاكهة (ذبابة الفاكهة) في السبعينيات، وهي تعتمد على حلقات ردود الفعل التي تنطوي على جينات محددة. تتفاعل هذه الجينات لتكوين تذبذبات في التعبير الجيني. يقلل الضوء أثناء النهار من نشاط هذه الجينات من خلال مستقبل ضوئي يسمى الكريبتوكروم. يتم الحفاظ على دقة الساعة من خلال شبكة جزيئية وعصبية معقدة.

في حين أن الأنواع المختلفة لديها اختلافات في جينات الساعة الخاصة بها، فإن المبدأ الأساسي لتذبذب التعبير الجيني يظل ثابتًا في جميع أشكال الحياة التي تمت دراستها، بما في ذلك البكتيريا الزرقاء والفطريات والنباتات والحيوانات، بما في ذلك البشر. وتساعد الإشارات البيئية المختلفة، مثل الضوء ودرجة الحرارة والطعام، على مزامنة هذه الساعات البيولوجية مع البيئة المحيطة بها. ويشار إلى هذه الإشارات باسم “zeitgebers” وتلعب دورًا حاسمًا في تنظيم الإيقاعات الداخلية للكائن الحي.

تزامن الساعة البيولوجية مع البيئة

في حين أن الساعات البيولوجية الداخلية مهمة للغاية، فإن الإشارات البيئية الخارجية، المعروفة باسم “zeitgebers”، تساعد الكائنات الحية على مزامنة إيقاعاتها مع العالم من حولها. يعد الضوء ودرجة الحرارة والطعام من العوامل البارزة التي تؤثر على الساعة الداخلية. يلعب الضوء، على وجه الخصوص، دورًا مهمًا في إعادة ضبط إيقاع الساعة البيولوجية لدينا.

يحدث اضطراب الرحلات الجوية الطويلة عندما تكون ساعة الجسم الداخلية للفرد غير متزامنة مع المنطقة الزمنية التي يتواجدون فيها. ويساعد الضوء، من بين الإشارات البيئية الأخرى، على إعادة مزامنة الساعة الداخلية للجسم. فالضوء الذي يتم إدراكه في نهاية الليل يحرك الساعة الداخلية، في حين أن الضوء في بداية الليل يؤخرها. عند البشر، يتم اكتشاف الضوء عن طريق شبكية العين ثم ينتقل إلى الساعة المركزية في الدماغ، حيث يؤثر على إنتاج بروتينات الساعة. ومع ذلك، فإن تكيف الجسم مع فارق التوقيت لمدة ساعة واحدة يستغرق حوالي يوم واحد.

يتمتع البشر بفترة يومية جوهرية تبلغ حوالي 24 ساعة، مما يجعل من الأسهل عليهم السفر غربًا وتمديد يومهم بدلاً من السفر شرقًا وتقصيره. وهذا ما يفسر أيضًا لماذا قد يواجه الأفراد في البيئات المعزولة، مثل أعماق الأرض، عدم تطابق مع الوقت على السطح ويرون أن الأيام أقل من 24 ساعة.

ساعات متنوعة أخرى في الطبيعة

بالإضافة إلى الساعة البيولوجية، تتحكم ساعات بيولوجية أخرى في العديد من العمليات الطبيعية. تتأثر الظواهر الموسمية، مثل هجرة الطيور والحشرات، وتكاثر الحيوانات، والسبات، وتزهر النباتات، بعوامل تشمل الساعة الدورية في العديد من الأنواع. الآلية الدقيقة لهذه الساعة لا تزال مجهولة.

آليات الساعة في الأنواع البحرية غامضة أيضًا بسبب البنية الزمنية المعقدة للمحيطات. تتعرض الكائنات البحرية لدورة الليل والنهار الشمسية، المغطاة بالدورات القمرية، بما في ذلك دورة المد والجزر (12.4/24.8 ساعة)، والدورات شبه القمرية، والدورات القمرية (14.8/29.5 يومًا) المرتبطة بمراحل القمر. تؤثر الفصول أيضًا على النظم البيئية البحرية.

وعلى الرغم من هذا التعقيد، فإن البيئات البحرية تتبع أنماطًا يمكن التنبؤ بها، وقد لوحظت إيقاعات بيولوجية مرتبطة بهذه الدورات في أنواع مختلفة. على سبيل المثال، تقوم بعض الشعاب المرجانية بمزامنة تكاثرها السنوي، وتتجمع بعض الديدان البحرية شهريًا خلال الليالي المظلمة قبل وضع البيض.

وفي عام 2020، اكتشف العلماء إيقاعات بيولوجية في بلح البحر في أعماق البحار يعيش على ارتفاع 1700 متر بالقرب من الفتحات الحرارية المائية في سلسلة التلال الوسطى للمحيط الأطلسي. تؤكد هذه النتيجة أهمية التنسيق الزمني في علم وظائف الأعضاء، حتى في البيئات القاسية مثل أعماق المحيطات.

ختاماً، تسلط رحلة بياتريس فلاميني الرائعة إلى كهف منفصل عن العالم الضوء على التأثير العميق للساعات البيولوجية على جميع الكائنات الحية. تسمح لنا أدوات ضبط الوقت الداخلية هذه، التي شحذها التطور، بالتنقل في حياتنا اليومية، والتكيف مع التغيرات البيئية، وحتى الازدهار في أقسى الظروف. من أعماق المحيط إلى أعالي الجبال، يستمر النبض الإيقاعي لساعات الحياة في إبهارنا وإلهامنا، وتذكيرنا بالتعقيدات المذهلة للعالم الطبيعي.

المصدر: theconversation.com

الصور من عمل:

Ifremer/Nature Communications, CC BY

Shirley Clarke/Wikipedia, CC BY-SA

Géry Parent/Flickr, CC BY-ND

stockking on Freepik