Cirkadiánní rytmus je jakýkoli biologický proces, který vykazuje endogenní, nesmazatelnou oscilaci asi 24 hodin. Tyto rytmy jsou řízeny cirkadiánními hodinami a rytmy byly hojně pozorovány u rostlin, živočichů, hub a sinic. Termín cirkadiánní pochází z latinského circa, což znamená „kolem“ (nebo „přibližně“), a diem or dies, což znamená „den“. Formální studium biologických temporálních rytmů, jako jsou denní, přílivové, týdenní, sezónní a roční rytmy, se nazývá chronobiologie. Ačkoli jsou cirkadiánní rytmy endogenní („vestavěné“, samoudržující se), jsou přizpůsobovány (zachyceny) místnímu prostředí vnějšími podněty zvanými zeitgebers, z nichž obvykle nejdůležitější je denní světlo.
Nejstarší známá zmínka o cirkadiánním procesu pochází ze 4. století př. n. l., kdy Androsthenes z Thasosu, kapitán lodi sloužící pod Alexandrem Velikým, popsal denní pohyby listů tamarindu.
Prvním zaznamenaným pozorováním endogenní cirkadiánní oscilace byl francouzský vědec Jean-Jacques d’Ortous de Mairan v roce 1729. Poznamenal, že 24hodinové vzory v pohybu listů rostliny Mimosa pudica pokračovaly i v době, kdy byly rostliny udržovány v neustálé tmě, v prvním experimentu, který se pokusil odlišit endogenní hodiny od reakcí na denní podněty.
V roce 1896 Patrick a Gilbert pozorovali, že během delšího období nedostatku spánku se ospalost zvyšuje a snižuje s periodou přibližně 24 hodin. V roce 1918 J.S. Szymanski ukázal, že zvířata jsou schopna udržovat 24hodinové vzorce aktivity bez vnějších podnětů, jako je světlo a změny teploty. Ron Konopka a Seymour Benzer izolovali prvního hodinového mutanta v Drosophile na počátku 70. let a zmapovali „dobový“ gen, první objevenou genetickou složku cirkadiánních hodin. Joseph Takahashi objevil první savčí „hodinový gen“ (CLOCK) pomocí myší v roce 1994.
Termín „cirkadián“ zavedl Franz Halberg koncem 50. let 20. století.
Aby mohl být nazýván cirkadiánním, musí biologický rytmus splňovat tato čtyři obecná kritéria:
Cirkadiánní rytmy umožňují organismům předvídat a připravovat se na přesné a pravidelné změny prostředí; mají velkou hodnotu ve vztahu k okolnímu světu. Rytmicita se zdá být stejně důležitá při regulaci a koordinaci vnitřních metabolických procesů, jako při koordinaci s prostředím. To naznačuje udržování (dědičnost) cirkadiánních rytmů u octomilek po několika stech generacích v konstantních laboratorních podmínkách, stejně jako u tvorů v konstantní tmě ve volné přírodě, a experimentální eliminace behaviorálních, ale ne fyziologických cirkadiánních rytmů u křepelek.
Nejjednodušší známé cirkadiánní hodiny jsou hodiny prokaryotických sinic. Nedávný výzkum prokázal, že cirkadiánní hodiny Synechococcus elongatus mohou být rekonstituovány in vitro pouze se třemi proteiny jejich centrálního oscilátoru. Bylo prokázáno, že tyto hodiny udržují 22hodinový rytmus po několik dní po přidání ATP. Předchozí vysvětlení prokaryotického cirkadiánního časoměřiče byla závislá na mechanismu zpětné vazby DNA transkripce/překladu.
Jako příčina poruchy spánku FASPS (Familial advanced sleep phase syndrome) byla identifikována vada lidského homologu Drosophila „period genu“, která podtrhuje uchovávanou povahu molekulárních cirkadiánních hodin prostřednictvím evoluce. Dnes je známo mnohem více genetických složek biologických hodin. Jejich interakce vedou k vzájemně propojené zpětnovazební smyčce genových produktů, jejímž výsledkem jsou periodické fluktuace, které buňky těla interpretují jako specifickou denní dobu.
Nyní je známo, že molekulární cirkadiánní hodiny mohou fungovat v rámci jedné buňky, tzn. že jsou buňkově autonomní. Zároveň spolu mohou různé buňky komunikovat, což má za následek synchronizovaný výstup elektrické signalizace. Ty se mohou propojit s endokrinními žlázami mozku, což má za následek periodické uvolňování hormonů. Receptory těchto hormonů mohou být umístěny daleko po celém těle a synchronizovat periferní hodiny různých orgánů. Informace o denní době předaná očima tak putuje k hodinám v mozku, a díky tomu mohou být synchronizovány hodiny ve zbytku těla. Takto je načasování například spánku/bdění, tělesné teploty, žízně a chuti k jídlu souřadně řízeno biologickými hodinami.
Cirkadiánní rytmy jsou důležité při určování spánkových a krmných vzorců všech zvířat, včetně lidí. Existují jasné vzorce mozkové vlnové aktivity, produkce hormonů, regenerace buněk a dalších biologických aktivit spojených s tímto 24hodinovým cyklem.
Cirkadiánní rytmus je přítomen ve spánkových a krmných vzorcích zvířat, včetně lidí. Existují také jasné vzorce tělesné teploty jádra, aktivity mozkových vln, produkce hormonů, regenerace buněk a dalších biologických aktivit. Kromě toho je fotoperiodismus, fyziologická reakce organismů na délku dne nebo noci, životně důležitý pro rostliny i zvířata a cirkadiánní systém hraje roli v měření a interpretaci délky dne.
Dopad cyklu světla a tmy
Rytmus je spojen s cyklem světla a tmy. Zvířata, včetně lidí, držená delší dobu v naprosté tmě, nakonec fungují s volným rytmem. Jejich spánkový cyklus je každý „den“ posunut dozadu nebo dopředu, podle toho, zda je jejich „den“, jejich endogenní perioda, kratší nebo delší než 24 hodin. Ekologické podněty, které každý den obnovují rytmus, se nazývají zeitgebers (z němčiny „time-givers“). Zajímavé je zjištění, že zcela slepí podzemní savci (např. slepý krtek krysa Spalax sp.) jsou schopni udržovat své endogenní hodiny za zjevné absence vnějších podnětů. I když jim chybí obrazotvorné oči, jejich fotoreceptory (které detekují světlo) jsou stále funkční; periodicky se také vynořují.
Volně běžící organismy, které mají obvykle jednu nebo dvě konsolidované spánkové epizody, je budou mít i v prostředí chráněném před vnějšími podněty, ale rytmus samozřejmě není naveden na 24hodinový cyklus světla a tmy v přírodě. Rytmus spánku a bdění se za těchto okolností může vymykat z fáze s jinými cirkadiánními nebo ultradiánními rytmy, jako jsou metabolické, hormonální, CNS elektrické nebo neurotransmiterové rytmy.
Nedávný výzkum ovlivnil konstrukci prostředí kosmických lodí, protože bylo zjištěno, že systémy, které napodobují cyklus světla a tmy, jsou pro astronauty velmi přínosné.[citace nutná]
Norští výzkumníci z univerzity v Tromsø prokázali, že některá arktická zvířata (ptarmigan, sobi) vykazují cirkadiánní rytmy pouze v těch částech roku, které mají denní východ a západ slunce. V jedné studii sobů zvířata při 70 stupních severní šířky vykazovala cirkadiánní rytmy na podzim, v zimě a na jaře, ale ne v létě. Sobi při 78 stupních severní šířky vykazovali takové rytmy pouze na podzim a na jaře. Výzkumníci mají podezření, že ani ostatní arktická zvířata nemusejí vykazovat cirkadiánní rytmy v neustálém světle léta a v neustálé temnotě zimy.
Jiná studie na severní Aljašce však zjistila, že pozemní veverky a dikobrazi striktně udržovali své cirkadiánní rytmy po celých 82 dní a nocí slunečního svitu. Výzkumníci spekulují, že tito dva malí savci vidí, že zdánlivá vzdálenost mezi sluncem a obzorem je jednou denně nejkratší, a tudíž dostatečný signál k úpravě.
Navigace podzimního stěhování motýla severoamerického (Danaus plexippus) na jejich přezimovací území ve středním Mexiku používá časově kompenzovaný sluneční kompas, který je závislý na cirkadiánních hodinách v jejich tykadlech.
Lidské aspekty této oblasti jsou považovány za lidské biologické rytmy.
První výzkumy cirkadiánních rytmů naznačovaly, že většina lidí preferovala den blíže k 25 hodinám, když byli izolováni od vnějších podnětů, jako je denní světlo a časomíra. Tento výzkum byl však chybný, protože nedokázal ochránit účastníky před umělým světlem. Ačkoli subjekty byly chráněny před časovými impulsy (jako hodiny) a denním světlem, výzkumníci si nebyli vědomi fázových oddalovacích účinků elektrických světel v interiérech. Subjektům bylo dovoleno zapnout světlo, když byly vzhůru, a vypnout ho, když chtěly spát. Elektrické světlo ve večerních hodinách oddalovalo jejich cirkadiánní fázi. Tyto výsledky se staly známými.
Nejnovější výzkumy ukázaly, že: dospělí mají zabudovaný den, který trvá v průměru asi 24 hodin; vnitřní osvětlení ovlivňuje cirkadiánní rytmus; a většina lidí dosahuje svého nejkvalitnějšího spánku během spánkových období určených chronotypem. Studie Czeislera a spol. z Harvardu zjistila, že rozpětí pro normální, zdravé dospělé všech věkových kategorií je poměrně úzké: 24 hodin a 11 minut ± 16 minut. „Hodiny“ se denně resetují do 24hodinového cyklu rotace Země.
Cirkadiánský rytmus a duševní zdraví.
Porucha cirkadiánního rytmu je rysem řady psychických problémů, jako je deprese,PTSD, OCD atd. Význam korelace je, pokud nějaká je nejasná.
Načasování lékařské léčby v koordinaci s tělesnými hodinami může významně zvýšit účinnost a snížit lékovou toxicitu nebo nežádoucí účinky. Například vhodně načasovaná léčba inhibitory angiotenzin konvertujícího enzymu (ACEi) může snížit noční krevní tlak a také prospět remodelaci levé komory (reverzní).
Krátké zdřímnutí během dne neovlivňuje cirkadiánní rytmus.
Řada studií dospěla k závěru, že krátké období spánku během dne, silový spánek, nemá žádný měřitelný vliv na normální cirkadiánní rytmy, ale může snížit stres a zlepšit produktivitu.
Existuje mnoho zdravotních problémů spojených s poruchami lidského cirkadiánního rytmu, jako je sezónní afektivní porucha (SAD), syndrom opožděné spánkové fáze (DSPS) a další poruchy cirkadiánního rytmu. Cirkadiánní rytmy také hrají roli v retikulárním aktivačním systému, který je klíčový pro udržení stavu vědomí. Kromě toho může být zvrat v cyklu spánek-bdění příznakem nebo komplikací uremie, azotémie nebo akutního selhání ledvin.
Studie také ukázaly, že světlo má přímý vliv na lidské zdraví kvůli způsobu, jakým ovlivňuje cirkadiánní rytmy.
Cirkadiánský rytmus a piloti aerolinek
Vzhledem k pracovní povaze pilotů leteckých společností, kteří často během jednoho dne projedou více časových pásem a oblastí slunečního světla a tmy a stráví mnoho hodin vzhůru ve dne i v noci, nejsou často schopni udržet si spánkový režim, který odpovídá přirozenému lidskému cirkadiánnímu rytmu; tato situace může snadno vést k únavě. NTSB uvádí tuto situaci jako faktor přispívající k mnoha nehodám a provedla několik výzkumných studií s cílem nalézt metody boje proti únavě pilotů.
Porucha rytmu má obvykle negativní vliv. Mnoho cestovatelů se setkalo se stavem známým jako jet lag, s jehož průvodními příznaky jsou únava, dezorientace a nespavost.
Řada dalších poruch, například bipolární porucha a některé poruchy spánku, jsou spojeny s nepravidelným nebo patologickým fungováním cirkadiánních rytmů. Nedávné výzkumy naznačují, že poruchy cirkadiánního rytmu zjištěné u bipolární poruchy jsou pozitivně ovlivněny účinkem lithia na hodinové geny.
Předpokládá se, že narušení rytmu v delším časovém horizontu má významné nepříznivé zdravotní důsledky na periferní orgány mimo mozek, zejména při rozvoji nebo zhoršení kardiovaskulárních onemocnění. Potlačení produkce melatoninu spojené s narušením cirkadiánního rytmu může zvýšit riziko vzniku rakoviny. LED osvětlení potlačuje produkci melatoninu pětkrát více než vysokotlaké sodíkové světlo. Příznaky deprese z dlouhodobé noční expozice světlu lze zvrátit návratem do normálního cyklu.
Cirkadiánní rytmy a hodinové geny exprimované v oblastech mozku mimo suprachiasmatické jádro mohou významně ovlivnit účinky vyvolané drogami, jako je kokain. Genetické manipulace s hodinovými geny navíc silně ovlivňují působení kokainu.
Zdá se, že SCN odebírá informace o délce dne ze sítnice, interpretuje je a předává je epitalamu (struktuře podobné hrášku, která se nachází na epitalamu), který pak v reakci na to vylučuje hormon melatonin. Sekrece melatoninu vrcholí v noci a během dne opadá. Zdá se, že SCN není schopna rychle reagovat na změny světelných/tmavých podnětů.
Nedávno se objevily důkazy, že cirkadiánní rytmy se vyskytují v mnoha buňkách v těle – mimo SCN „hlavní hodiny“. Například jaterní buňky zřejmě reagují spíše na krmení než na světlo. Buňky z mnoha částí těla mají zřejmě „volnoběhové“ rytmy.
Poruchy rytmu mají obvykle negativní vliv v krátkodobém horizontu. Mnoho cestovatelů se setkalo se stavem známým jako jet lag s přidruženými příznaky únavy, dezorientace a nespavosti. Řada dalších poruch spánku je spojena s nepravidelným nebo patologickým fungováním cirkadiánních rytmů.
Nedávné výzkumy naznačují, že cirkadiánní rytmy a hodinové geny exprimované v oblastech mozku mimo SCN mohou významně ovlivňovat účinky vyvolané drogami zneužití, jako je kokain . Genetické manipulace s hodinovými geny navíc silně ovlivňují působení kokainu .
Cirkadiánní rytmy také hrají roli v retikulárním aktivačním systému při tvorbě retikul.
Biologické hodiny u savců
Diagram ilustrující vliv světla a tmy na cirkadiánní rytmy a související fyziologii a chování prostřednictvím suprachiasmatického jádra u lidí.
Primární cirkadiánní „hodiny“ u savců jsou umístěny v suprachiasmatickém jádru (nebo jádru) (SCN), dvojici odlišných skupin buněk umístěných v hypothalamu. Destrukce SCN má za následek úplnou absenci pravidelného spánkového a bdělého rytmu. SCN přijímá informace o osvětlení očima. Sítnice oka obsahuje „klasické“ fotoreceptory („tyčinky“ a „čípky“), které se používají pro konvenční vidění. Sítnice ale také obsahuje specializované gangliové buňky, které jsou přímo fotosenzitivní a promítají se přímo do SCN, kde pomáhají při zachycení těchto mistrovských cirkadiánních hodin.
Tyto buňky obsahují fotopigment melanopsin a jejich signály sledují dráhu zvanou retinohypothalamický trakt, vedoucí k SCN. Pokud jsou buňky ze SCN odstraněny a kultivovány, udržují si svůj vlastní rytmus za nepřítomnosti vnějších podnětů.
SCN odebírá informace o délce dne a noci ze sítnice, interpretuje je a předává je šišince, drobné struktuře ve tvaru šišky a umístěné na epitalamu. V reakci na to šišinka vylučuje hormon melatonin. Sekrece melatoninu vrcholí v noci a opadá během dne a její přítomnost poskytuje informace o délce noci.
Několik studií naznačilo, že pineální melatonin se zpětně živí rytmikou SCN a moduluje cirkadiánní vzorce aktivity a další procesy. Povaha a systémová významnost této zpětné vazby však nejsou známy.
Cirkadiánní rytmy lidí mohou být zachyceny na poněkud kratší a delší dobu než je pozemských 24 hodin. Výzkumníci z Harvardu nedávno ukázali, že lidské subjekty mohou být zachyceny alespoň na 23,5 hodinovém cyklu a 24,65 hodinovém cyklu (ten druhý je přirozený sluneční cyklus den-noc na planetě Mars).
Klasické fázové markery pro měření časování cirkadiánního rytmu savce jsou:
Melatonin se v organismu nevyskytuje nebo je během dne nedetekovatelně nízký. Jeho nástup za slabého světla, za slabého světla melatoninu (DLMO), okolo 21:00 (21:00) lze měřit v krvi nebo ve slinách. Jeho hlavní metabolit lze měřit také v ranní moči. Jako cirkadiánní markery byly použity DLMO i střední bod (v čase) přítomnosti hormonu v krvi nebo ve slinách. Novější výzkumy však naznačují, že spolehlivějším markerem může být melatoninová kompenzace. Benloucif a kol. v Chicagu v roce 2005 zjistili, že markery melatoninové fáze jsou stabilnější a více korelují s načasováním spánku než minimální teplota jádra. Zjistili, že jak spánková kompenzace, tak melatoninová kompenzace jsou silněji korelovány s různými fázovými markery než nástup spánku. Navíc klesající fáze hladin melatoninu byla spolehlivější a stabilnější než ukončení syntézy melatoninu.
Jednou z metod používaných pro měření offsetu melatoninu je analýza sekvence vzorků moči po celé dopoledne na přítomnost metabolitu melatoninu 6-sulfatoxymelatonin (aMT6). Laberge a kol. v Quebeku v roce 1997 použili tuto metodu ve studii, která potvrdila často zjištěnou zpožděnou cirkadiánní fázi u zdravých dospívajících.
Třetím markerem lidského kardiostimulátoru je načasování maximální hladiny kortizolu v plazmě. Klerman a kol. v roce 2002 porovnali údaje o kortizolu a teplotě s osmi různými metodami analýzy údajů o melatoninu v plazmě a zjistili, že „metody využívající údaje o melatoninu v plazmě lze považovat za spolehlivější než metody využívající údaje o CBT nebo kortizolu jako indikátoru cirkadiánní fáze u lidí“.
Mezi další fyziologické změny, ke kterým dochází podle cirkadiánního rytmu, patří srdeční frekvence a tvorba červených krvinek.
Mimo „hlavní hodiny“
Více či méně nezávislé cirkadiánní rytmy se nacházejí v mnoha orgánech a buňkách v těle mimo suprachiasmatická jádra (SCN), „hlavní hodiny“. Tyto hodiny, nazývané periferní oscilátory, se nacházejí v jícnu, plicích, játrech, slinivce břišní, slezině, brzlíku a kůži. Ačkoli oscilátory v kůži reagují na světlo, systémový vliv nebyl dosud prokázán. Existují také určité důkazy, že čichová žárovka a prostata mohou při kultivaci vykazovat oscilace, což naznačuje, že tyto struktury mohou být také slabými oscilátory.
Dále se zdá, že například jaterní buňky reagují spíše na potravu než na světlo. Zdá se, že buňky z mnoha částí těla mají volnoběhové rytmy.
Světlo a biologické hodiny
Světlo resetuje biologické hodiny v souladu s křivkou fázové odezvy (PRC). V závislosti na načasování může světlo urychlit nebo zpozdit cirkadiánní rytmus. ČLR i požadované osvětlení se liší druh od druhu a pro resetování hodin u nočních hlodavců je vyžadována nižší úroveň světla než u lidí.
Úroveň osvětlení, která ovlivňuje cirkadiánní rytmus u lidí, je vyšší než úroveň obvykle používaná při umělém osvětlení v domácnostech. Podle některých vědců musí intenzita osvětlení, která dráždí cirkadiánní systém, dosáhnout až 1000 luxů a zasáhnout sítnici.
Předpokládá se, že směr světla může mít vliv na zachycení cirkadiánního rytmu; světlo přicházející shora, připomínající obraz jasné oblohy, má větší účinek než světlo vstupující do našich očí zdola.
Podle studie z roku 2010, kterou dokončilo Lighting Research Center, má denní světlo přímý vliv na cirkadiánní rytmy a následně na výkonnost a pohodu. Výzkum ukázal, že studenti, kteří se ráno setkávají s narušením světelných schémat, následně pociťují narušení spánkových schémat. Změna spánkových schémat může vést k negativním dopadům na výkonnost a bdělost studentů. Odstranění cirkadiánního světla ráno oddálí nástup tlumeného světla melatoninu o 6 minut denně, celkem o 30 minut po dobu pěti dnů.
Studie Nathaniela Kleitmana z roku 1938 a Derka-Jana Dijka a Charlese Czeislera z let 1994/5 uvedly lidské subjekty do vynucených 28hodinových cyklů spánku a bdění, v neustálém tlumeném světle a s potlačenými jinými časovými podněty, po dobu více než jednoho měsíce. Protože normální lidé nemohou vstoupit do 28hodinového dne v tlumeném světle, pokud vůbec, označuje se to jako vynucený desynchronní protokol. Spánkové a bdělé epizody jsou odpojeny od endogenního cirkadiánního období o délce asi 24,18 hodin a výzkumníkům je umožněno posoudit účinky cirkadiánní fáze na aspekty spánku a bdění včetně spánkové latence a dalších funkcí.
Biologické hodiny Popis cirkadiánních rytmů v rostlinách od de Mairana, Linnaea a Darwina
Stanford info page
Journal of Circadian Rhythms