Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי פורסם: 9 ביולי, 2020

כיצד התאים שלנו יודעים מה השעה?

תַקצִיר

האם ידעתם שהתאים שלכם יודעים מה השעה? לכל תא בגוף שלכם יש שעון משלו. השעונים האלה אינם כמו אף שעון אחר. אין להם גלגלי שיניים או סוללות. הזמן נקבע על-ידי סיבוב כדור הארץ כך שהגופים שלנו מסונכרנים בדיוק עם זמנֵי הלילה והיום. בעוד שאתם עשויים לא להיות מודעים אפילו לקיומם, השעונים האלה שולטים בהיבטים רבים בחייכם. החל ממתי אתם אוכלים וישנים וכלה ביכולתכם להתרכז או לרוץ מהר, השעונים פוקדים על הכול. כיצד השעונים האלה פועלים וכיצד הם יודעים מה השעה? מה קורה לשעונים שלנו אם אנו צופים בטלוויזיה מאוחר בלילה או טסים לצידו השני של העולם? מאמר זה בוחן את השאלות האלה ומסביר את התגליות המדעיות שסייעו לנו להבין את התשובות.

השעון הביולוגי

התאים שלנו למדו לומר לנו מה השעה לפני שידענו לקרוא שעון. כל תא בגוף שלנו מכיל שעון משלו. שלא כמו שעונים שאנו רגילים אליהם, השעונים בתאים שלנו אינם מכילים גלגלי שיניים או סוללות: הם ביולוגיים. השעונים הביולוגיים שלנו שומרים על שעה כמעט מושלמת עם מחזור ה-24 שעות של אור וחושך בכדור הארץ. אנו קוראים למחזור היומי הזה בשם מִקְצָב צִירְקָדִי. המילה צירקדי מגיעה מהמילים הלטיניות circa ו-dies שמשמעותן “מסביב ליום”. המקצב הצירקדי מסדר את מחזורי השינה והערוּת שלנו עם מחזור האור והחושך, כך שאנו מרגישים ערים במהלך היום וישנוניים במהלך הלילה. הוא מכין את המעיים לעיכול מזון במהלך היום, ומסייע לנו לא להרגיש רעבים כשאנו ישנים בלילה. הוא קובע מתי אנו הכי ערניים (באמצע הבוקר); מתי אנו הכי מתוֹאמים (צהריים מוקדמים) ומתי הכוח השרירי שלנו הכי חזק (צהריים מאוחרים). טמפרטורת הגוף ולחץ הדם גם עולים ויורדים במהלך היום. אפילו מערכת החיסון שלנו פועלת בלוח זמנים של 24 שעות, ומונחית על-ידי מקצב צירקדי.

מקצבים צירקדיים אינם ייחודיים לבני אדם: כמעט כל האורגניזמים על כדור הארץ מכילים שעונים ביולוגיים. השעונים של צמחים מניעים את עליהם להיפתח במהלך היום ולהיסגר בלילה. השעונים של חיות ליליות מקדמים פעילוּת בלילה ושינה ביום. על-ידי מעקב אחרי השינויים באורך היום, צמחים וחיות יכולים לעקוב אחרי המקצב השנתי כמו גם המקצב היומי. שעונים ביולוגיים אחראים לתופעות רבות, החל מפרחים שפורחים באביב וכלה בפרפרי דנאית מלכותית שנודדים לפני החורף. מלבד במערות החשוכות ביותר ובמעמקי האוקיינוס, שאליהם אור השמש לעולם אינו מגיע, כל החיים על הפלנטה שלנו מסונכרנים עם הסיבוב של כדור הארץ.

גלגלי השיניים של השעון

השעונים הביולוגיים שלנו אינם דומים לאף שעון אחר שאנו יכולים לקרוא. גלגלי השיניים של השעון שלנו הם עם חלבונים. חלבוני שעונים מיוצרים ומתפרקים במחזור שאורכו 24 שעות (ראו תיבה 1 להסבר מפורט). המחזור הזה מתקתק בכל תא בגוף, כלומר לכל תא יש את השעון הפרטי שלו. אולם כיצד כל השעונים הקטנטנים הנפרדים האלה נשארים באותו הזמן אחד של השני? הם מתואמים על-ידי “שעון סבא” מרכזי במוח אשר נקרא הגרעין העל-תצלובתי (Suprachiasmatic nucleus, או SCN בקיצור). ה-SCN מסנכרן את כל השעונים התאיים שלנו עם הסיבוב של כדור הארץ. כיצד הוא מבצע את המטלה המאתגרת הזו? באמצעות אור השמש! (איור 1).

תיבה 1 - גֶּנִים של שעונים ופרס הנובל של שנת 2017.

בשנת 1971, Seymour Benzer ו- Ronald Konopka מצאו זבוב פירות משונה שהיה לו מקצב צירקדי אחר. החוקרים גילו שלזבוב הזה הייתה מוטציה בגן אחד שהם קראו לו period [1]. זו הייתה הָרְאָיָה הראשונה לכך שהשעונים שלנו נשלטים בידי הגנים שלנו. ביום הזה, “גֶּן השעון” הראשון התגלה.

אז כיצד period גורם לשעונים שלנו לתקתק? מדענים מצאו ש-period מייצר חלבון שנקרא PER. PER מיוצר ונהרס במחזור רציף של 24 שעות (איור 2). במהלך הלילה, ה-period נותן הוראות ליצירת PER. כש-PER נאסף בציטופלזמה של התא, הוא נקשר לחלבון אחר – TIM. כאשר הוא קשור ל-TIM, PER יכול להיכנס לגרעין של התא – היכן שגן ה-period חי. כאן, PER אומר ל-period להפסיק לייצר עוד PER. במהלך היום PER נהרס בהדרגה. כשהלילה קָרֵב כּמוּת ה-PER בתא כל כך נמוכה שכֹּל המחזור מתחיל שוב, ומקבץ חדש של PER מיוצר. התגלית של המחזור הזה הייתה כל כך אדירה שפרס הנובל של שנת 2017 הוענק למדענים שגילו אותה: Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash ו- Michael W. Young [2].

איור 1 - תיאום השעונים שלנו עם אור השמש.
  • איור 1 - תיאום השעונים שלנו עם אור השמש.
  • אור השמש מאותר על-ידי תאים מיוחדים שמזהים אותו, אשר נקראים ipRGCs וממוקמים באחורי העין. תאי ה-ipRGCs שולחים אותות ל-SCN במוח. האותות האלה מעובדים כדי לתאם את השעונים בתוך כל התאים בגוף, כך שהם מסונכרנים עם מחזור האור-חושך.
איור 2 - (1) גלגלי השיניים של השעון הביולוגי.
  • איור 2 - (1) גלגלי השיניים של השעון הביולוגי.
  • רמות חלבון ה-PER עוקבות אחרי מחזור של 24 שעות – הן עולות בלילה ויורדות במהלך היום. חלבון ה-PER מיוצר מגֶן ה-period במהלך הלילה. (2) בציטופלזמה, חלבון ה-PER נצמד לחלבון ה-TIM מה שמאפשר לו להיכנס את תוך הגרעין. (3) כאשר הוא נמצא בתוך הגרעין, PER מדכא את הייצור של עצמו. כאשר רמות ה-PER יורדות מתחת לכמות מסוימת, ייצור ה-PER מוגבר שוב. כל המחזור אורך 24 שעות.

כיוון השעונים באמצעות אור השמש

בדיוק כמו שעון יָשָׁן, שעונים ביולוגיים צריכים להיות מְכֻוָּנים לשעה הנכונה ביום. אור מאותר על-ידי תאים באחורֵי העין שלנו, שנקראים פוֹטוֹרֶצֶפְּטוֹרִים. מרבית הפוטורצפטורים מאתרים אור כדי שנוכל לראות את העולם סביבנו. אולם בשנת 2002 התגלה סוג חדש של פוטורצפטור אשר שולח אותות ישירות ל-SCN [3]. הפוטורצפטורים המיוחדים האלה נקראים intrinsic photosensitive retinal ganglion cells, או ipRGCs בקיצור. אם ה-ipRGCs פועלים, אפילו אנשים עיוורים מסוגלים לשמור על המקצבים שלהם מתואמים עם אור השמש [4].

באמצעות אור השמש ה-SCN יכול לכוונן את המקצב הצירקדי לשינויים הדרגתיים בשעות אור היום כשאנו מתקדמים עם עונות השנה השונות. אולם שינויים פתאומיים במחזור האור-חושך יכולים להשאיר אותנו בתחושה בלתי מסודרת. ייתכן שחוויתם זאת בעצמכם: זה נקרא גֶ’ט לֶג (יַעֶפֶת). מאז המצאת המטוסים, בני אדם מסוגלים לחצות אזורי זמן בטווח של שעות בודדות. מטוס יכול להנחית אותנו באור יום מלא כאשר השעונים הביולוגיים שלנו מכוונים אותנו לישון. זה יכול לגרום לנו להרגיש מנומנמים, מסוחררים, ואפילו עם תחושת בחילה. סימפטומים של ג’ט לג יכולים להימשך כמה ימים מאחר של-SCN לוקח זמן לתאם את עצמו עם אזור הזמן החדש. כעת כשאתם יודעים שה-SCN משתמש באור שמש כדי להתכוונן לזמן ביום, לא תהיו מופתעים לשמוע שהתרופה הטובה ביותר היא לבלות זמן מה בשמש!

האם אנו מבלבלים את השעונים שלנו?

במשך יותר מארבעה מיליארדי שנים, השמש הייתה מקור האור היחיד על פני כדור הארץ. רק לפני 150 שנים תומס אדיסון המציא את נורת הלהט. מאז כדור הארץ שלנו נעשה שטוף באור. אנו לוקחים כמובן מאליו את הגישה שלנו לאור – זה קל במידה של לחיצה על מתג. אולם האם עלינו להפעיל את המתג יותר בזהירות? מחקרים מציעים שאורות מלאכותיים מתערבים במחזורים הצירקדיים שלנו.

הכוכב שמעולם לא ישן

אור מלאכותי משמעותו שאנו יכולים להאריך את פעילויות היום אל תוך הלילה. זה יוצר תרבות של 24 שעות עם מסעדות וחנויות שפתוחות כל הלילה. אנו יכולים לעשות כמעט כל פעילות, החל מקריאה וכלה בנהיגה, בכל שעה ביום. ישנם יתרונות לכך. לדוגמה, נגישׁוּת לשירותי בריאות כל הזמן היא מציאוּת מצילת חיים. אולם מה לגבי רופאים ואחיות שעובדים במהלך הלילה? אנשים שעובדים בלילה צריכים להחליף את מחזורי השינה-ערוּת שלהם הלוך ושוב, ולעיתים קרובות חולפים ימים רבים שבהם אינם רואים אור שמש. זה עשוי לגרום לשעונים הביולוגיים שלהם להתבלבל, ואז כל הדברים שתלויים בשעונים הביולוגיים שלהם גם יתבלבלו, כולל שינה. ההשלכות הבריאותיות האפשריות של כך מפורטות בתיבה 2. אנו צריכים לעשות מה שאפשר כדי לשמור על השעונים הצירקדיים שלנו מכוונים לזמן הנכון.

תיבה 2 - ההשלכות של מקצב צירקדי מבולבל ואובדן שינה.

שינה נאותה ומחזור צירקדי רגיל הכרחיים לשמירה על תפקוד טוב של גופינו ומוחותינו. מה חשוב יותר – שינה או מקצב צירקדי? זוהי שאלה שקשה לענות עליה מאחר שקשה להפריע לאחד בלי להפריע לאחר. אם אתם מבלבלים את המקצב הצירקדי שלכם (למשל עם ג’ט לג), לעיתים קרובות תפסידו שינה. אם אתם נשארים ערים בלילה (למשל בגלל שימוש לילי במסך), זה עשוי להפריע למקצב הצירקדי שלכם. הפרעות קצרות יכולות ליצור בעיות מיידיות, שהן לעיתים קרובות הפיכוֹת באמצעות שנת לילה טובה. אובדן שינה או בלבול צירקדי כרוניים יכולים להוביל לבעיות ארוכות טווח לגוף ולמוח.

אובדן שינה קצר-טווח או ג’ט לג

- קשיי ריכוז

- סטרס מוגבר

- חוסר נוחות רגשית

- תחושה לא טובה

- בעיות זיכרון וקשיי למידה

- קואורדינציה וביצועים פיזיים ירודים

אובדן שינה ארוך-טווח או בלבול צירקדי

- הפרעות במצבי רוח ובעיות פסיכולוגיות

- בעיות בלב ובלחץ הדם

- השמנת יתר וסוכרת

- תגובה חיסונית מופחתת

- סיכוי מוגבר לחלות בסרטן

- החמרה של לקויות רפואיות קיימות

זמן מסך

ישנוֹ אויב חדש יותר למקצבים הצירקדיים שלנו: מסכי LED. טלפונים ניידים, מחשבים וטלוויזיות הם בעלי מסכי LED אשר פולטים כמויות גדולות של אור כחול. כחול הוא צבע האור שה-ipRCGs מאתרים הכי טוב. כאשר האור הכחול הזה מגיע מהשמש זה דבר טוב – המוחות שלנו מקבלים את האות מה-ipRCGs: “עכשיו זה יום, הישארו ערים”. ה-SCN מגיב באמצעות דיכוי הייצור של הורמון שגורם לנו להיות ישנוניים, אשר נקרא מֶלָטוֹנִין. כאשר השמש שוקעת אין בסביבה יותר אור כחול טבעי, ולכן המלטונין מיוצר ואנו נעשים ישנוניים (איור 3).

איור 3 - (A) השפעת האור על הורמון השינה.
  • איור 3 - (A) השפעת האור על הורמון השינה.
  • מלטונין הוא הורמון שגורם לנו להרגיש ישנוניים. אור השמש מפסיק את הייצור של מלטונין חדש (מומחש בתמונה באמצעות ברז סגור). אולם מלטונין תמיד מפורק (מסומן בתמונה כטפטוף מהחלק התחתון של הַמְּכָל). לכן במהלך היום רמות המלטונין בגוף נמוכות ואיננו מרגישים ישנוניים. (B) חושך מעורר את ייצור המלטונין (מומחש בתמונה באמצעות ברז פתוח). לכן, רמת המלטונין עולה ואנו נעשים ישנוניים כשמגיע הזמן להיכנס למיטה. (C) שימוש במסכי LED בשעות החושך מתערב במקצב הזה על-ידי הפסקת ייצור המלטונין, בדיוק כפי שהשמש עושה. זה מונע מאיתנו להרגיש עייפים אפילו כשהגוף שלנו מוכן לישון.

כעת דמיינו מה קורה אם אתם מדליקים מסך LED בשעות החושך. אור כחול יאותר על- ידי ה-ipRCGs שלכם, אשר לא יכול להבחין שהאור הכחול אינו מגיע מהשמש. לכן, המוח שלכם יקבל את אותו האור: “עכשיו זה יום, הישארו ערים”. ה-SCN אומר לגוף לייצר פחות מלטונין, ורמת המלטונין יורדת [5]. כשיש מעט מלטונין בסביבה יכול להיות קשה מאוד להירדם, אפילו בלילה. כדי למנוע את בלבול השעונים הצירקדיים שלנו, אנו צריכים לנסות לא להשתמש במכשירים אלקטרוניים בשעות החושך; עשוי להיות אפילו הכי טוב לשים אותם בחדר נפרד במהלך הלילה. זה עשוי להיראות קיצוני, אולם לאובדן שינה של לילה בודד או לבלבול צירקדי עשויות להיות השלכות חמוּרוֹת על הגוף והמוח (תיבה 2).

סיכום

בלי שאנו מסוגלים לראות או לקרוא אותם, שעונים קטנטנים בתוך הגוף שלנו מתאמים את הזמן עם הסיבוב של כדור הארץ. השעונים האלה שולטים בהתנהגות של כמעט כל האורגניזמים על פני כדור הארץ, ומוודאים שכולנו עושים את הדברים הנכונים בשעות הנכונות ביום. גלגלי השיניים של השעונים האלה הם גֶּנים וחלבונים שעובדים במחזורים של 24 שעות בתוך כל תא. השעונים התאיים האלה מתואמים על-ידי “שעון סבא” מרכזי במוח. נעשה שימוש באור השמש כדי לשמור על המקצב הפנימי בסנכרוּן עם העולם שסביבנו. באופן רגיל, כל התהליך הזה מתרחש בצורה כל כך חלקה שאיננו מודעים אפילו לשעונים הביולוגיים שלנו. אולם כאשר השעונים שלנו יוצאים מסנכרון אנו מרגישים את ההשפעות של כך. העולם המודרני שלנו, עם תאורה שפועלת 24 שעות ביממה, מסכי LED ומטוסים, יכול לבלבל את השעונים הביולוגיים שלנו. עלינו לעשות כל מה שניתן כדי לסייע לשעונים הביולוגייים שלנו לשמור על השעה הנכונה.

תרומת הכותבות

KFA ו-JJH חקרו וכתבו את המאמר יחד.

מילון מונחים

שעון ביולוגי (Biological clock): מנגנון ביולוגי שעוקב אחרי השעה בתוך התאים של אורגניזם, ומייצר מקצבים צירקדייים.

מקצב צירקדי (Circadian rhythm): כל תהליך באורגניזם שנכנס למקצב או למחזור של 24 שעות.

הגרעין העל-תצלובתי (SCN): חלק מהמוח אשר שולט על כל המקצב הצירקדי של הגוף, ומסנכרן אותו.

period: גֶּן השעון אשר מקוֹדד את חלבון ה-PER.

PER: חלבון שמעורב בקביעת המקצב הצירקדי: הרמות שלו מתנודדות במחזור קבוע של 24 שעות.

ציטופלזמה (Cytoplasm): החומר דמוי הג’לי אשר מעניק לתאים את צורתם.

ipRGCs: Intrinsic photosensitive retinal ganglion cell – תא מיוחד באחורי העין אשר מאתר אור ושולח את המידע הזה ישירות ל-SCN.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

אנו רוצים להודות ל-Isabell Whitely עבור סקירתה הקפדנית של המאמר, ול- Carles Bosch על ההערות רבות התובנה שלו על האיורים. KA רוצה להודות ל- Pathological Society עבור מימון השיבוץ שלה עם JH.


מקורות

[1] Konopka, R. J., and Benzer, S. 1971. Clock Mutants of Drosophila melanogaster. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 68:2112–6. doi: 10.1073/pnas.68.9.2112

[2] Nobel Prize. The 2017 Nobel Prize in Physiology and Medicine-Press Release. Available online at: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/press.html (accessed July 14, 2018).

[3] Berson, D. M. 2003. Strange vision: ganglion cells as circadian photoreceptors. Trends Neurosci. 26:314–20. doi: 10.1016/S0166-2236(03)00130-9

[4] Czeisler, C. A., Shanahan, T. L., Klerman, E. B., Martens, H., Brotman, D. J., Emens, J. S., et al. 1995. Suppression of melatonin secretion in some blind patients by exposure to bright light. N. Engl. J. Med. 332:6–11. doi: 10.1056/NEJM199501053320102

[5] Pilorz, V., Tam, S. K. E., Hughes, S., Pothecary, C. A., Jagannath, A., Hankins, M. W., et al. 2016. Melanopsin regulates both sleep-promoting and arousal-promoting responses to light. PLoS Biol. 14:e1002482. doi: 10.1371/journal.pbio.1002482