Загадка биологических часов: стабильность в мире перемен
Вы когда-нибудь ловили себя на мысли: как же наш организм умудряется не сбиться со счета, несмотря на все перепады температуры — будь то жара на улице или кондиционер в офисе? Этот внутренний часовой механизм, который задает нам биоритм почти ровно на 24 часа, удивительно устойчив к подобным колебаниям.
А вот чем это обусловлено — долгое время оставалось загадкой. Однако команда из Центра междисциплинарных теоретических и математических наук (ITHEMS) в Японии под началом профессора Куросавы (Kurosawa) бросила вызов этой тайне с помощью… теоретической физики. Да-да, не удивляйтесь. Они применили модели и методы из физики, чтобы разгадать, как наши часы не сбиваются с ритма, когда температура меняется.
Методы исследования: немного физики в биологии
Исследователи сосредоточились на том, как активность генов, а точнее — уровень мРНК (молекул, которые участвуют в синтезе белка), колеблется с течением времени. Если представить эти циклы, можно вообразить ритмическое движение — словно маятник качается взад-вперед, создавая плавные волны.
В рамках проекта, ученые из Riken Ithems и Университета Киото (Kyoto University), используя метод «групповой ренормализации» — подход, заимствованный из физики, — выявили, что при росте температуры форма этих волн меняется. При высоких температурах мРНК растет быстро, но падает медленнее. В итоге одна «волна» становится асимметричной и искаженной — словно волна на воде, которую кто-то слегка мешает рукой.
Результаты: теория и практика сходятся
Конечно, теория — дело тонкое. Чтобы проверить гипотезу, команда заглянула в лаборатории, где наблюдали за фруктовыми мухами и мышами. И, как оказалось, эксперименты полностью подтверждают прогнозы: при повышенной температуре ритмы активности генов действительно деформируются, сохраняя при этом стабильную продолжительность цикла.
Это и есть «температурная компенсация» — механизм, который гарантирует, что биологические часы не спешат и не отстают в зависимости от внешних условий. Ключ к этому — именно замедленное снижение мРНК, когда температура поднимается.
Что дальше? Синхронизация с окружающим миром и перспективы
Кроме того, команда выяснила: искажение формы волны влияет на то, насколько наши внутренние часы поддаются внешним сигналам — свету и темноте. Чем сильнее волна искажена, тем более устойчивыми становятся часы, а влияние окружающей среды — слабее. В свете того, как современный мир погружен в постоянное искусственное освещение и нерегулярные смены дня и ночи, это — важный вывод.
«Понимание того, что искажение волны — не просто странность, а необходимый элемент стабильности, открывает дверь для будущих исследований», — говорит профессор Куросава (Kurosawa).
Он подчеркивает, что сейчас научная задача — разобраться, какие именно молекулярные механизмы заставляют мРНК падать медленнее, формируя эту асимметрию.
Еще один момент — как этот процесс может различаться у разных видов или даже между отдельными людьми, учитывая, что возраст и индивидуальные особенности влияют на наши внутренние часы.
И напоследок: что это значит для нас
В долгосрочной перспективе, считает профессор Куросава (Kurosawa), степень искажения формы волны в активности генов биологических часов может стать важным биомаркером — своего рода «часовым отпечатком», который поможет понять проблемы со сном, смену часовых поясов и возрастные изменения в ритмах организма.
И кто знает, возможно, эти знания однажды помогут не только людям, но и многим другим системам, где важны повторяющиеся циклы — от биологии до технологии и экономики.
Литература.
“Waveform distortion for temperature compensation and synchronization in circadian rhythms: An approach based on the renormalization group method” by Gen Kurosawa et al. PLOS Computational Biology
