گفتار دوم: فيزيولوژى ساعت درونى

گفتار دوم: فيزيولوژى ساعت درونى

مفهوم زمان در سيستم زنده:

موجود زنده، سيستمى است مادى كه در زمان و مكان امتداد دارد. هر موجود زنده‌‌اى، ناچار است تا اين چهار راستاى پايه امتداد خود را درك كند. سيستم حسى بينايى، دستگاهى است كه براى درك محورهاى فضايى تخصص يافته است. درك محور چهارم امتداد ماده، يعنى زمان، توسط سيستمى متفاوت انجام مى‌‌گيرد. نمودهاى رفتارى توانايى درك زمان، در جانداران گوناگون، تنوع زيادى دارد. گياهان با چرخه‌‌هاى روزانه گشودن و بستن گل، يا چرخه‌‌هاى سالانه -يا فصلى- گل و ميوه دادن، نمونه‌‌هايى كلاسيك از اين توانايى را در فرمانروى گياهان به نمايش مى‌‌گذارند. در تك‌‌ياخته‌‌اى‌‌هاى مژكدار نيز چنين چرخه‌‌هايى مشاهده شده، و در كل چنين مى‌‌نمايد كه شواهد كافى براى تأييد اين گزاره وجود داشته باشد كه: توانايى درك زمان در همه جانداران -به اشكال گوناگون- وجود دارد. يعنى در همه سطوح تنوع جهان زنده، توانايى درك محور زمان تكامل يافته است. در جانوران، رفتارهاى نمايانگر اين توانايى بسيار متنوع و پيچيده هستند. اين نمودها، گستره‌‌اى وسيع را در بر مى‌‌گيرند كه از چرخه‌‌هاى خواب و بيدارى مهره‌‌داران گرفته، تا دوره‌‌هاى تناوب ساليانه مهاجرت حشرات، را در بر مى‌‌گيرند. تخمگذارى دوره‌‌اى لاك‌‌پشتان آبى در سواحل، مرگ پروانه‌‌هاى ابريشم پس از بلوغ، دگرديسى حشرات، سفرهاى دوره‌‌اى پرندگان، همه و همه نمونه‌‌هايى از وجود اين حس در جانوران هستند.

از ميان چرخه‌‌هاى گوناگونى كه در بدن جانوران مى‌‌توان سراغ كرد، دو چرخه اهميت بيشترى دارند: چرخه سالانه، و چرخه روزانه.

چرخه سالانه: ^[1] توانايى درك حركت زمين به دور خورشيد است، كه معمولا توسط پردازش اوليه بر اطلاعات گرمايى يا نورى حاصل مى‌‌شود. مغز جانوران داراى نوعى ساعت درونى است كه با فعاليت درون‌‌زاد خود، دركى از زمان را ممكن مى‌‌سازد. از آنجا كه اين ساعت درونى مى‌‌تواند تندتر يا كندتر از زمان خارجى تيك تاك كند، مكانيسمى در كنار آن تكامل يافته كه تصحيح خطاهاى احتمالى موجود در اين سيستم خودكار را تضمين مى‌‌كند. در گياهان تغغيرات دما و نور، چرخه‌‌هاى ساليانه را ايجاد مى‌‌كند. در جانوران داراى سيستم بينايى نيرومند، مغز با پردازش داده‌‌هاى مربوط به تغييرات منظم و فصلى دما، و دگرگونى‌‌هاى مربوط به زاويه تابش نور خورشيد، مكان تقريبى زمين در مدار خود به دور خورشيد را حدس مى‌‌زند، و بر اساس شرايطى كه معلول اين جايگيرى ويژه هستند، وضعيت بدن را با محيط سازگار مى‌‌كند. از آنجا كه به فاصله يك سال، بار ديگر مكان تقريبى زمين نسبت به خورشيد تكرار مى‌‌شود، شرايط محيطى وابسته به اين مكان هم باز پديد مى‌‌آيند، و در نتيجه نوعى تكرار رفتارى را در اين سازگارى ايجاب مى‌‌كنند. به همين دليل هم دوره‌‌هاى متناوب چاقى/لاغرى، استراحت/فعاليت، و مهاجرت در مقاطع يك ساله تكرار مى‌‌شوند.

چرخه روزانه: اين دور تناوب، از ديد بحث ما اهميتى بيشتر دارد. مكانيسم كاركرد اين سيستم هم با آنچه كه در مورد چرخه سالانه ذكر شد يكسان است، با اين تفاوت كه در اينجا حركت زمين به دور خود است كه اهميت مى‌‌يابد. در اينجا هم مى‌‌بينيم كه دوره‌‌هاى تغييرات تناوبى در طبيعت، سازگارى تناوبى با آن را ايجاب مى‌‌كند، و اين امر خود به وجود دستگاه‌‌هايى كه تغييراتى مشخص را در چرخه‌‌هاى زمانى مشخص توليد كنند، مى‌‌انجامد. در ادامه بحث، بيشتر توجه خود را به ساز و كارهاى تأمين كننده اين چرخه‌‌ها در مهره‌‌داران و به ويژه پستانداران متمركز خواهيم كرد. اما هرجا كه لازم شود، از ساختارهاى تكامل يافته در ساير شاخه‌‌هاى جانورى هم ياد خواهيم كرد.

عصب شناسى ساعت‌‌هاى زيستى:

از ديد كالبدشناختى، مركز توليد كننده چرخه روزانه، بر چرخه سالانه منطبق است. چرخه درونى در جانوران با ابزارهاى عصبى متفاوتى تنظيم مى‌‌شود. در مهره‌‌داران خونسرد -ماهيان، دوزيستان، و خزندگان- مركز تنظيم اين ساعت، در غده صنوبرى^[2] قرار دارد. در بندپايان نيز عقده‌‌هاى مغزى سرى مسئول اين كار مى‌‌باشند. در بيشتر جانوران، به پيروى از اين چرخه، تغييرات عضوى مشخص را مى‌‌توان ديد. فهرست كل تغييراتى كه بر پايه كار اين مراكز زمان‌‌سنج در بدن موجودات زنده پديد مى‌‌آيند، از دايره بحث ما خارجند. فقط به عنوان چند نمونه، اشاره مى‌‌كنيم كه تغيير رنگ ماهيان و دوزيستان و خزندگان در چرخه‌‌هاى روزانه، و تغييرات سلولى در بافتهاى چشم مركب خرچنگ نعل اسبى^[3] مثال‌‌هايى از اين تغييراتندشفرد.

غده صنوبرى در مغز ماهيان، دوزيستان، و خزندگان ويژگى‌‌هايى را داراست كه توانايى ثبت زمان را در آن ايجاد مى‌‌كند. نورون‌‌هاى اين هسته شليكهاى متناوب مشابهى را به طور خودكار انجام مى‌‌دهند. در پستانداران اين مراكز ابتدايى‌‌تر تحليل رفته‌‌اند و بخشى از هيپوتالاموس نقش ساعت را به عهده گرفته است.^[4]

در پستانداران مركز ساعت درونى، هسته بالاى صليبى ) (SCN)^[5] است كه در جلوى هيپوتالاموس و بالاى محل برخورد اعصاب چشمى – جفت عصب اول مغزى- قرار گرفته است اين هسته، در انسان حدود دو هزار نورون‌‌را شامل مى‌‌شود كه يكى از هسته‌‌هاى كوچك هيپوتالاموسى را تشكيل مى‌‌دهند.^[6] نورون‌‌هاى (SCN) از ناحيه دمى به مغز ميانى و ديگر هسته‌‌هاى هيپوتالاموسى مى‌‌روند.^[7] اين ياخته‌‌ها از پشت با مناطق ديانسفالى، و از جلو به هسته‌‌هاى ديگر هيپوتالاموسى و سپتوم^[8] متصل مى‌‌شوند. قطع راه‌‌هاى ورودى و خروجى به اين هسته نيز موجب مختل شدن چرخه روزانه مى‌‌شود.^[9]

اين نورون‌‌ها داراى نوعى فعاليت دوره‌‌اى الكتريكى هستند كه گذر زمان را اندازه‌‌گيرى مى‌‌كند. اگر اين هسته در جانورى مانند موش تخريب شود، نظم و ترتيب چرخه سالانه و روزانه مختل مى‌‌شوند، اما لزوما، رفتارهايى كه به طور دوره‌‌اى تكرار مى‌‌شوند، آسيب نمى‌‌بينند.^[10] مثلا ساعت درونى، تعيين كننده چرخه طبيعى خواب/بيدارى در جانور نيز هست، اما نسبت زمان خواب به بيدارى و طول هريك را كنترل نمى‌‌كند.^[11] پستاندارى كه هسته بالاى صليبى‌‌اش تخريب شده باشد، به اندازه قبل از اين تخريب خواهد خوابيد، اما دوره خواب و بيداريش نظم خودرا از دست خواهد داد.^[12]

با توجه به ساختار ساده و شناخته شده هسته بالاى صليبى -زمان‌‌سنج مهره‌‌داران خونگرم-، بينش ژرفى در مورد مكانيسم عمل ساعت درونى حاصل شده است. به عنوان مثال، به نظر مى‌‌رسد كه توانايى زمان‌‌سنجى در نورون‌‌هاى اين هسته، حالتى انفرادى داشته باشد. به بيان ديگر، چنين به نظر مى‌‌رسد كه هريك از اين ياخته‌‌ها به تنهايى و مستقل از ساير نورون‌‌ها تيك تاك مى‌‌كنند. اگر با تزريق تترادوتوكسين (TTX) ارتباط ميان نورون‌‌هاى اين هسته را قطع كنيم، مى‌‌بينيم كه چرخه روزانه مختل مى‌‌شود، اما باز پس از محو اثر دارو، با همان ريتم سابق به كار خود ادامه مى‌‌دهد. به بيان ديگر، قطع ارتباطات نورون‌‌هاى اين هسته باعث ناهمزمانى تيك تاك نورون‌‌هاى گوناگون نمى‌‌شود. گويى هر سلول عصبى، در خلأ به كار كردن در هماهنگى با ديگران ادامه مى‌‌دهد.^[13]

اين توانايى درون‌‌زاد هسته بالاى صليبى، بايد مرتبا توسط داده‌‌هاى حسى خارجى تصحيح شود. چنان كه گفتيم، دوره تناوب فعاليت چرخه روزانه درونى، دقيقا 24ساعت نيست. در يك آزمایشها، دو نفر داوطلب مدت يك ماه را در درون غار ماموت در كنتاكى آمريكا به سر بردند. اين افراد از داشتن ساعت يا راديو و يا هر برگه ديگرى كه نشانگر گذر زمان در جهان خارج باشد محروم بودند. هر روز در اين غار- به عنوان يك قرارداد مصنوعى،- از 28ساعت تشكيل شده بود. اين روز چرخه‌‌هايى متشكل از 19ساعت بيدارى و 9ساعت خواب را در بر مى‌‌گرفت كه با خاموش شدن چراغ‌‌ها همراه بود. از بين اين دو آزمودنى، يك نفر نتوانست با چرخه مصنوعى مورد نظر كنار آيد و چرخه 24ساعته عادى خود را حفظ كرد. اما نفر دوم توانست خود را با اين برنامه سازگار نمايد.^[14]

در آزمایشهاى ديگر، توانايى سازگارى ساعت درونى دوازده نفر را با چرخه‌‌اى 22ساعته سنجيدند. در اين افراد هم -به جز يك نفر- اشكال در سازش با اين چرخه مشاهده شد.^[15] اگر فرد در محيطى فاقد برگه‌‌هاى نورى نشانگر زمان قرار گيرد و آزاد باشد تا هروقت كه خواست بخوابد و هروقت خواست بيدار شود، دچار نوعى انبساط ساعت درونى شده و در نهايت چرخه روزانه‌‌اش بر روى روزهايى 25ساعته ثابت مى‌‌ماند. البته در چنين آزمایشهاهايى زمانهاى كمتر از 24ساعت هم گزارش شده‌‌اند.^[16] به اين ترتيب چنين به نظر مى‌‌رسد كه چرخه روزانه در پستاندارانى مانند انسان، كمى بيشتر از دوره روزانه خارجى باشد، و توسط درون‌‌دادهاى حسى نورى تصحيح شود.

به مكانيسم تصحيح كننده ساعت درونى^[17] مى‌‌گويند، كه در آلمانى به معناى “زمان‌‌سنج” است. نور مهمترين زمان‌‌سنج جانوران خشكى‌‌زى است.^[18] اين چرخه همچنين در بالا بردن دماى بدن در روز، و سردتر كردن آن در شب نيز نقش دارد.

به نظر مى‌‌رسد هسته بالاى صليبى، داراى سه نوع چرخه زمانى مستقل باشد. يكى به تنظيم دماى بدن مى‌‌پردازد، ديگرى چرخه خواب و بيدارى را كنترل مى‌‌كند. سومى چرخه هاى پايه فعاليت/بيدارى را پديد مى‌‌آورد. از اين بين، دوره تناوب دو چرخه اول حدود 25-24ساعت است، و چرخه آخرى 90دقيقه طول مى‌‌كشد.

چرخه پايه استراحت/فعاليت ) (BRAC)^[19] دوره‌‌هاى تناوبى نسبتا كوتاهى است كه از يك بخش فعاليت و يك بخش استراحت تشكيل شده است. پژوهشگران، براى نخستين بار اين چرخه‌‌ها را در نوزادان مشاهده كردند. آنان ديديند كه نوزادان در فواصلى مشخص و منظم شير مى‌‌خورند و ادرار خود رادفع مى‌‌كنند. اين مشاهدات، در نهايت به كشف چرخه پايه‌‌اى انجاميد كه در همه گروه‌‌هاى سنى و تمام گونه‌‌هاى مهره دار مشاهده شده است. در انسان اين چرخه در رفتارهايى مانند خوردن، نوشيدن، سيگار كشيدن، تپش قلب، مقدار مصرف اكسيژن، انقباض‌‌هاى معدى، توليد ادرار و فعاليتهاى مربوط به تمركز فكر به خوبى نمود دارد. گويا درازاى زمان اين چرخه نسبت عكس با وزن جانور داشته باشد. در انسان اين چرخه 90دقيقه به طول مى‌‌انجامد.^[20] اما طول آن در موش صحرايى 12دقيقه و در گربه 30دقيقه است.3

توانايى درك زمان يك پديده وابسته به ژنوم است. يعنى سيستم‌‌هاى زمان سنج در بدن موجود زنده، توسط محتواى ژنتيكى سازنده سازمان زنده برنامه‌‌ريزى مى‌‌شوند. اين وابستگى ساعت درونى به ژنوم، به ويژه در مگس سركه (Drosophila melanogaster) خوب مطالعه شده است. ژنى كه كد كننده سيستم ساعت درونى مگس سركه است، Per نام گرفته و بر كروموزوم X قرار دارد. جهش در اين ژن، چرخه‌‌هايى كوتاه‌‌تر يا بلندتر از حالت عادى را ايجاد مى‌‌كند.^[21] مثلا موتان Perl چرخه‌‌هايى بیست و نه ساعته، و موتان Pers چرخه‌‌هايى نوزده ساعته دارد. جهش‌‌يافته Per0 هم اصولا فاقد توانايى درك زمان است و چرخه روزانه ندارد.^[22]

بر اساس مدل مگس سركه چيزهاى زيادى در مورد ساخت و كار ژنتيكى ساخت درونى در حشرات آشكار شده است. نشان داده شده كه ژن Per طبيعى در چرخه‌‌هاى منظم 24ساعته -معمولا در غروب‌‌ها- بيان مى‌‌شود و پروتئينى را توليد مى‌‌كند كه رفتارهاى ويژه وابسته به تناوب روزانه را موجب مى‌‌شود. افزايش مقدار اين پروتئين در داخل ياخته، باعث فسفاته شدن آن مى‌‌شود، و اين شكل فسفاته پروتئين مورد نظر، توانايى ورود به هسته و مهار بيان ژن Per را دارد. به بيان ديگر، فعاليت ژن تنظيم چرخه روزانه در مگس، توسط تراكم محصول خود كنترل مى‌‌شود. در واقع يك سيستم خودتنظيم با بازخورد منفى در اينجا وجود دارد كه از بيان افراطى پروتئين مورد نظر جلوگيرى مى‌‌كند.^[23]

در ساير جانداران نيز الگوهاى ژنومى تعيين كننده فعاليت ساعت زيستى شناخته شده است. مثلا در قارچ Neurospuraژنى موسوم به Frqوجود دارد كه درست مانند Perعمل مى‌‌كند و مانند آن خود را نيز تنظيم مى‌‌كند. در مهره‌‌داران نيز چندين مثال مشابه را مى‌‌توان يافت. مثلا موش‌‌هاى آزمایشهاگاهى، زير اثر ماده جهش‌‌زاى ENU^[24] نوعى موتان به نام Clock را توليد مى‌‌كنند كه چرخه روزانه‌‌اى معادل ساعت دارد. در هامستر هم موتان Tau را داريم كه دچار مشكلى مشابه است و چرخه روزانه‌‌اى آشفته دارد.^[25]

ساعت زيستى پايدارى و مقاومت زيادى دارد و با محركهاى معمولى مختل نمى‌‌شود. مثلا نشان داده شده كه اشعه ايكس، محروميت از آب و غذا، LSD؛ الكل، مواد بيهوش كننده، كمبود اكسيژن، دوره‌‌هاى بلند مدت فعاليت بدنى شديد )يا بر عكس آن عدم فعاليت بدنى(، آسيب‌‌هاى مغزى -به استثناى صدمه به SCN – و حذف غدد درون‌‌ريز هيچ‌‌يك نمى‌‌توانند اختلالى جدى در عملكرد اين ساعت ايجاد كنند.^[26] گويا تنها موارداختلال در ساعت زيستى، مربوط به آسيب هسته بالاى صليبى، و يا جانشين شدن آب سنگين در بافتهاى بدن باشد.^[27]

حتى سرد كردن بدن جوندگانى مانند موش و هامستر، و متوقف كردن تنفس، تپش قلب، و فعاليت مغزى در آنها نيز نتوانسته است به شكلى معنى‌‌دار، عملكرد اين هسته را مختل كند. بنابراين به نظر مى‌‌رسد كه با وجود نقش غيرقابل انكار ساعت درونى در تعيين دماى بدن، اين عامل در كوتاه مدت باعث تنظيم ساعت درونى نشود.^[28] با اين وجود شواهد ديگرى هم هستند كه امكان كند شدن ساعت زيستى در دماهاى پايين را نشان مى‌‌دهند. اين پديده فقط زمانى رخ مى‌‌دهد كه سرما براى بيشتر از دو يا سه ساعت دوام داشته باشد.^[29]

نتيجه

از مرور شواهد ياد شده چنين بر مى‌‌آيد كه توانايى درك زمان، يكى از لوازم حسى بنيادى در سيستم‌‌هاى زنده است. امتداد زمان، براى موجودات زنده آنقدر مهم بوده كه تكامل ساختار ژنتيكى مجزا و ويژه‌‌اى را براى درك آن ايجاب مى‌‌كرده است. اين ساختار چنان كه ديديم، تا حدودى شناخته شده است، اما هنوز در مورد بسيارى از نكات دقيقتر و ظريفتر اين توانايى ابهام وجود دارد. آنچه كه مسلم است، اين كه هر جانورى، در مغز خود يك محور زمان مطلق و يگانه دارد. در زندگى مدرن امروزى، اين امكان براى انسان فراهم آمده است تا با پيمودن مسافات زياد در زمانهاى كوتاه، مفهوم نسبى زمان را تجربه كند و به معناى روشنى از “زمان محلى” دست يابد. مشكلاتى كه از اين تجربيات ناشى مى‌‌شوند، نشانگر اين مطلب هستند كه مغز انسان -و ساير جانوران- براى سازگار شدن با چنين زمان نسبى و قابل‌‌تغييرى دچار مشكل مى‌‌شود. مثلا در بيمارى پرواز زدگى -كه معلول سفرهاى هوايى طولانى است- مى‌‌بينيم كه عقب يا جلو افتادن از ساعت زيستى موجب بروز ناراحتى و اختلال در كاركرد چرخه‌‌اى بدن مى‌‌شود. از آنجا كه چرخه درون‌‌زاد مغز ما كمى از 24ساعت بيشتر است، سفر از غرب به شرق، -كه طول اين ساعت را كم مى‌‌كند،- نسبت به سفر در جهت عكس -كه ساعت درونى را منبسط مى‌‌كند- ايجاد اشكالات بيشترى مى‌‌كند. ساعت درونى، و حس زمان ناشى از آن، زمينه فيزيولوژيك رفتارهاى چرخه‌‌اى و متناوب سيستم‌‌هاى زنده است. خواب، كه موضوع بحث ماست، نمونه‌‌اى مشهور از اين رفتارهاست.

 

 

1. Endogenous circadian rythm ↑
2. Pineal ↑
3. Limulus polyphemus ↑
4. Takahawshi & Hoffman.-1995 ↑
5. Supra chiasmic nucleus ↑
6. Eichler Moore.- 1972 ↑
7. Stephan & Zucker.-1972 ↑
8. Septum ↑
9. Meijer & Rietveld.-1989 ↑
10. Stephan & Nunez.- 1977 ↑
11. Ibuka & kawamura.-1975 ↑
12. Carlson.- 1985 ↑
13. Scwartzetal.-1887 ↑
14. Klietman.- 1863 ↑
15. Miles et al.- 1977 ↑
16. Carpenter et al.- 1984 ↑
17. Zeitgeber ↑
18. Rusak & Zucker.- 1979 ↑
19. Basic Rest Activity Cycle ↑
20. Kleitman.- 1982 ↑
21. Benzer et al.- 1870 ↑
22. Takahashietal.-1995 ↑
23. et al.- 1995 Takahashi ↑
24. N- Ethyl- N- Nitrosurea ↑
25. Takahashi et al.- 1995 ↑
26. Richer et al.- 1967 ↑
27. 1967-1970 Riher et al ↑
28. Richeretal.-1975 ↑
29. Giebetal.-1983 ↑

 

 

ادامه مطلب: گفتار سوم: رفتارشناسى خواب

رفتن به: صفحات نخست و فهرست کتاب