Цирка́дні (циркадіа́нні) ри́тми (від — близько, кругом і — день) — циклічні коливання інтенсивності різних біологічних процесів, пов'язаних зі зміною дня і ночі. Незважаючи на зв'язок із зовнішніми стимулами, циркадні ритми мають ендогенне походження, представляючи, таким чином, «внутрішній годинник» організму. Для чого потрібні циркадні ритми, або як змінити хід «біологічного годинника» (Нобелівська премія з фізіології і медицини 2017 р.) / С. І. Романюк, С. В. Комісаренко // Вісник Національної академії наук України. — 2017. — № 12. — doi: https://doi.org/10.15407/visn2017.12.050. - С. 50-62 Циркадні ритми присутні у таких організмів як мікроорганізми, зокрема, ціанобактеріїДослід показав зв'язок циркадного ритму і клітинного ділення . — 23 березня 2010, водорості, гриби, рослини, тварини.
Циркадні ритми виникають внаслідок коливань експресії генів, викликаних білками-репресорами, які безпосередньо пригнічують транскрипцію власних генів.
Циркадні годинники є ендогенними осциляторами, які контролюють 24-годинні фізіологічні та поведінкові процеси. Центральний циркадний годинник контролює безліч аспектів фізіології ссавців, включаючи регуляцію сну, метаболізму та імунної системи. Дослідження скеровані на вивчення ролі циркадного годинника в контролі серцево-судинної та нервової систем, мікробіоти кишки, онкопатологій та старіння. Такий циркадний контроль цих систем частково спирається на регуляцію транскрипції, з нещодавніми доказами загальногеномної регуляції годинника через циркадіанну організацію хромосом.
Особливості циркадних ритмів Ритм зберігається при постійних умовах і має період близький до 24 годин. Ритм може бути синхронізований під дією зовнішнього освітлення (фотоперіоду). Ритм не залежить від температури, поки вона змінюється в діапазоні, придатному для життєдіяльності.
Світловий день, або фотоперіод — це тривалість щоденного освітлення організму в зв'язку із ростом та розвитком. Реакція організму на світловий день називається фотоперіодизмом.
Історія відкриття Вперше про зміну положення листя протягом дня у тамаринда (Tamarindus indicus) згадує Андростен, описуючи походи Александра Македонського.
У новий час 1729 року французький астроном Жан-Жак Д'Орту де Марен повідомив про щоденні рухи листків у мімози сором'язливої (Mimosa pudica). Ці рухи повторювалися з певною періодичністю навіть якщо рослини поміщалися в темряву, де відсутні такі зовнішні стимули як світло, що дозволило припустити ендогенне походження біологічних ритмів, до яких були приурочені рухи листя рослини. Де Мейрон припустив, що ці ритми можуть мати щось спільне з чергуванням сну і неспання у людини.
Декандоль 1832 року визначив, що період, з яким рослини мімози здійснюють ці листові рухи, дещо коротший ніж тривалість доби і становить приблизно 22-23 години.
1880 року Чарльз Дарвін і його син Френсіс зробили припущення про спадкову природу циркадних ритмів. Це припущення було підтверджено дослідами, під час яких схрещувалися рослини різних сортів квасолі, періоди циркадних ритмів яких відрізнялися. У гібридів період відрізнявся від періоду обох батьків. Ендогенна природа циркадних ритмів була остаточно підтверджена 1984 року під час дослідів з грибами виду Нейроспора густа (Neurospora crassa), проведеними в космосі. Ці досліди показали незалежність цілодобового ритму від геофізичних сигналів, пов'язаних з обертанням Землі навколо своєї осі.
Циркадні ритми ціанобактерій Найпростіші циркадні ритми виявлено в ціанобактерій. Ціанобактерії (синьо-зелені водорості) — монофілетична група (вони мають одного спільного предка) фотоавтотрофних бактерій (живляться за рахунок фотосинтезу, енергії сонця). Це одна з найдавніших і найрізноманітніших груп у світі прокаріотів. Різні представники групи дуже відрізняються один від одного як морфологічно, так і генетично, їх можна виявити майже в будь-якому середовищі, доступному для світла. Життєві цикли мають різну тривалість у різних представників: від декількох годин до декількох тисяч років між поділами (у деяких видів, що проживають на оліготрофних, бідних середовищах).
Вперше наявність циркадні ритмів у ціанобактерій було продемонстровано при вивченні процесів киснево-чутливої фіксації азоту та фотосинтезу з виділенням кисню. У цих процесах була показана добова ритмічність. Про це зокрема свідчили дані електронної мікроскопії, за допомогою якої вивчали кількість і розмір тих чи інших запасаючих гранул в клітинах. Пізніше було виявлено, що й інші процеси в клітинах (наприклад, поглинання амінокислот) відбуваються в рамках циркадного ритму, задовольняючи трьом основним положенням циркадних ритмівWilliams, S. B. A circadian timing mechanism in the cyanobacteria // Adv. Microb. Physiol. — 2007. — 52. — P. 229–296.
Крім того, виявилося, що ритмічно змінюється вся експресія генів у клітинах ціанобактерій. Були проведені досліди, в яких гени біолюмінесцентних (тих, що світяться) білків вбудовувалися в геном ціанобактерій під випадкові бактеріальні промотори. У всіх отриманих штамів спостерігалася подібна картина циркадних змін інтенсивності люмінесценціїRachelle M. Smith and Stanly B. Williams Circadian rhythms in gene transcription imparted by chromosome compaction in the cyanobacterium Synechococcus elongatus // PNAS. — 2006. — 103. — P. 8564-8568.
Важливість синхронізації внутрішнього ритму з екзогенним фактором освітленості для ціанобактерій було показано в ряді дослідів. Наприклад, було показано, що бактерії з порушеною синхронізацією циркадних ритмів повільніше ростуть в умовах зміни дня і ночі, тим самим, програючи бактеріям із добре налаштованим внутрішнім годинником. Крім того, ціанобактерії розмножуються тільки в «нічний» період, який визначається їх внутрішнім годинником, що зокрема захищає ДНК, яка реплікується, від ушкоджень ультрафіолетовими променями сонця.
Циркадні ритми рослин Циркадні ритми рослин пов'язані зі зміною дня та ночі й важливі для адаптації рослин до добових коливань таких параметрів як температура, освітлення, вологість. Рослини існують у постійно мінливому світі, тому циркадні ритми важливі для того, щоб рослина могла дати належну відповідь на абіотичний стрес. Зміна положення листя протягом доби — лише один з багатьох ритмічних процесів у рослин. Протягом доби коливаються такі параметри як активність ферментів, інтенсивність газообміну й фотосинтетична активність.
У здатності рослин розпізнавати чергування дня та ночі вирішальну роль відіграє фітохромна система. Прикладом роботи такої системи є ритм цвітіння у рослини Pharbitis nil. Цвітіння в цієї рослини залежить від довжини світлового дня: якщо день коротший певного інтервалу, то рослина цвіте, якщо довший — вегетує.
Протягом доби умови освітлення змінюються через те, що сонце перебуває під різними кутами до горизонту, і, відповідно, змінюється спектральний склад світла, що сприймається різними фітохромами, які збуджуються світлом із різною довжиною хвилі. Так, увечері в спектрі більше довгохвильових червоних променів, які активізують лише фітохром А, даючи рослині сигнал про наближення ночі. Отримавши цей сигнал, рослина вживає відповідних заходів. Важливість фітохромів для температурної адаптації було з'ясовано під час дослідів із трансгенними осиками Populus tremula, у яких продукція фітохрому А була підвищеною. Рослинам постійно «здавалося», що вони отримують світло високої інтенсивності, і, таким чином, вони не могли адаптуватися до добових коливань температури й страждали від нічних заморозків.
При дослідженні добових ритмів у арабідопсиса було також показано фотоперіодичність роботи трьох генів CO, FKF1 і G1. Ген constans бере участь у визначенні часу цвітіння. Синтез продукту гена CO запускається комплексом з білків FKF1 і G1. У цьому комплексі продукт гена FKF1 відіграє роль фоторецептора. Синтез білка CO запускається через 4 години після початку освітлення й зупиняється в темряві. За ніч синтезований білок руйнується. Таким чином, необхідна для цвітіння рослини концентрація білка досягається тільки в умовах довгого літнього дня.
Циркадні ритми у тварин Практично всі тварини пристосовують свої фізіологічні й поведінкові процеси до добових коливань абіотичних параметрів. Прикладом циркадного ритму у тварин є цикл сон-неспання. У людини і в інших тварин існують внутрішні годинники, які йдуть навіть за відсутності зовнішніх стимулів, що можуть дати інформацію про час доби. Дослідження молекулярно-біологічної природи цих годинників розпочалося близько 30 років тому. Конопка і Бензер, що працювали в Каліфорнійському технологічному інституті виявили три мутантні лінії дрозофіл, циркадні ритми яких відрізнялися від циркадних ритмів мушок дикого типу. Подальший аналіз показав, що у мутантів мутації зачіпали аллелі одного локусу, який був названий дослідниками per (від period). За відсутності нормальних сигналів навколишнього середовища період цілодобової активності у мушок дикого типу становив 24 години, у мутантів per-s — 19 годин, у мутантів per-l — 29 годин, у мутантів per-0 взагалі не спостерігалося ніякого ритму. Згодом було виявлено, що продукти генів per є в багатьох клітинах дрозофіл, які беруть участь в становленні циркадного ритму комахи. Більш того, у мушок дикого типу спостерігаються циркадні коливання у кількості per мРНК і білка Per, в той час як у мушок per0, у яких немає циркадного ритму, такої циклічності експресії не спостерігається.
Люди Дивіться також: Сон § Циркадний годинник і Крива фазового відгуку § Світло
Ранні дослідження циркадних ритмів показали, що більшість людей віддають перевагу добі ближче до 25 годин, коли вони ізольовані від зовнішніх подразників, таких як денне світло та відлік часу. Однак це дослідження було помилковим, оскільки воно не змогло захистити учасників від штучного світла. Хоча піддослідні були захищені від сигналів часу (наприклад, годинника) і денного світла, дослідники не знали про ефект затримки фази внутрішнього електричного освітлення. [ сумнівно – обговорити ] Піддослідним дозволялося вмикати світло, коли вони не спали, і вимикати його, коли вони хотіли спати. Електричне світло у вечірній час затримало їхню добову фазу. Більш суворе дослідження, проведене в 1999 році Гарвардським університетом, оцінило природний людський ритм ближче до 24 годин 11 хвилин: набагато ближче до сонячної доби. У відповідності з цим дослідженням було останнє дослідження 2010 року, яке виявило також статеві відмінності, причому циркадний період для жінок був трохи коротшим (24,09 години), ніж для чоловіків (24,19 години). У цьому дослідженні жінки, як правило, прокидалися раніше, ніж чоловіки, і виявляли більшу перевагу ранковим заняттям, ніж чоловіки, хоча біологічні механізми, що лежать в основі цих відмінностей, невідомі.
Біологічні маркери та ефекти Класичними фазовими маркерами для вимірювання часу циркадного ритму ссавців є:
секреція мелатоніну шишкоподібною залозою, мінімальна температура внутрішнього тіла і рівень кортизолу в плазмі.
Для дослідження температури суб’єкти повинні залишатися неспаними, але спокійними та напівлежачими в темряві, поки їм безперервно вимірюють ректальну температуру. Хоча серед нормальних хронотипів велика різниця, середня температура дорослої людини досягає свого мінімуму приблизно о 5:00 ранку, приблизно за дві години до звичайного часу пробудження. Baehr та ін. виявили, що у молодих людей добовий мінімум температури тіла припадає приблизно на 04:00 (4 ранку) для ранкових типів, але приблизно о 06:00 (6 ранку) для вечірніх типів. Цей мінімум припадав приблизно на середину восьмигодинного періоду сну для ранкових типів, але ближче до пробудження у вечірніх типів.