Современная наука шагнула далеко вперёд в понимании того, каким образом наш организм умеет хранить верность привычному ритму жизни вне зависимости от температуры окружающей среды. Удивительные открытия были сделаны командой учёных под руководством Гена Куросавы из Центра RIKEN в Японии. Благодаря математическим и физическим методам исследователи смогли выяснить, каким образом наши биологические часы продолжают «тикать» ровно 24 часа даже в условиях жары или резких температурных перепадов. Главную роль здесь играет феномен, который учёные назвали «искажением формы сигнала».
Внутренний хронометр: как работают биологические часы
Почти у каждого возникал вопрос: почему мы чувствуем сонливость ночью и бодрость утром? За всё это отвечает сложный механизм — циркадные ритмы, наши биологические часы, устойчивые и надёжные. Их «маятником» выступают осциллирующие (колеблющиеся) паттерны выработки мРНК — молекул, отвечающих за синтез жизненно важных белков. Под действием этих паттернов гены в клетках регулярно включаются и выключаются, формируя биологические ритмы, очень похожие на плавные подъёмы и спады синусоиды.
Однако большинство химических реакций в теле ускоряется при повышении температуры. Логично было бы ожидать, что и внутренние часы начнут «спешить» в жару, однако этого не происходит. Организм каким-то образом адаптируется, сохраняя привычный цикл, и эта загадка долгое время оставалась неразгаданной.
Как математика помогает биологии: раскрытие механизма
Команда Gen Kurosawa из RIKEN использовала методы теоретической физики для анализа, как изменения температуры влияют на циркадные ритмы на молекулярном уровне. Благодаря методу ренормализационной группы были выявлены особые, медленно меняющиеся элементы в динамике биологических ритмов. Учёные смоделировали, что при жаре мРНК накапливается заметно быстрее и медленнее распадается, однако длительность полного цикла — около суток — чудесным образом сохраняется. Формально на графиках такие изменения выглядят как переход от симметричной к асимметричной, слегка искажённой волне.
Это искажение формы сигнала оказалось ключом — тонко подстраиваясь под температуру, ритмы регулируют скорость синтеза и разложения мРНК так, чтобы глобальный ритм организма остался прежним.
Подтверждение теории с помощью экспериментов
Важная часть работы учёных заключалась в проверке теоретических прогнозов на реальных живых организмах. Были детально проанализированы результаты опытов на мушках-дрозофилах и мышах. Экспериментально подтвердилось предположение, что при воздействии повышенных температур у животных действительно наблюдаются такие асимметричные, «растянутые» искажения циркадной волны. Искажение проявлялось прежде всего в замедлении фазы снижения уровня мРНК, что обеспечивало нужную продолжительность суточного цикла.
Таким образом, команда показала: наше тело использует стратегию «тонкой настройки» биохимических процессов, чтобы компенсировать влияние внешних факторов и жить по одному и тому же ритму в любое время года, при любой погоде.
Значение искажения формы сигнала для устойчивости биоритмов
Особенность открытого механизма — не только температурная устойчивость. Чем сильнее проявляется искажение формы сигнала, тем увереннее внутренние часы организма следуют своему ритму, игнорируя шум и сбои от изменяющихся условий окружающей среды. Такой эффект особенно важен в эпоху городского образа жизни: мы сталкиваемся с искусственным светом, работой по сменам и сменой часовых поясов.
Теоретические предположения подтвердились: искажение помогает уменьшить воздействие разного рода внешних сигналов, таких как свет и темнота, подкрепляя стабильность внутренних ритмов. Эксперименты с дрозофилами и даже грибами показали стабильность ритмов при значительных внешних помехах — заслуга именно этого «защитного механизма» организма.
Будущее исследований и практическое значение
По словам Гена Куросавы, понимание таких молекулярных механизмов открывает огромные горизонты как для фундаментальной науки, так и для медицины. Учёные планируют более подробно изучить, какие именно молекулярные процессы замедляют падение уровня мРНК и кто из белков «отвечает» за искажение формы ритма. Возможно, скорость и степень искажения будут отличаться у разных видов или даже у людей разного возраста, что объяснит, почему одни люди легче адаптируются к смене режимов, а другие — нет.
В перспективе искажение формы сигнала может стать новым маркером для диагностики нарушений сна, работы при смене часовых поясов и даже ранним индикатором старения внутренних часов. Это поможет создавать персонализированные рекомендации для улучшения самочувствия и здоровья — от профилактики бессонницы до повышения работоспособности в условиях стресса.
Универсальный закон ритма в природе и технике
Интересно, что изучение циркадных ритмов выходит за рамки биологии: законы повторяющихся циклов, выявленные командой Gen Kurosawa, могут быть применены к самым разным ритмическим системам — от электроники до поведения популяций и экономических моделей. Природа демонстрирует потрясающую изобретательность в выработке универсальных и экономичных стратегий устойчивости, которые мы только начинаем познавать и использовать.
Таким образом, исследования Гена Куросавы и его коллег в RIKEN не только объяснили феномен температурной компенсации биологических часов, но и открыли новые пути для создания гармоничного ритма жизни, энергичного здоровья и высокого качества современной жизни.
Источник: scientificrussia.ru
