Rytm dobowy (także rytm okołodobowy, ang. circadian rhythm) to cykl zmian w przebiegu procesów życiowych organizmu powtarzający się w przybliżeniu co 24 godziny, obserwowany zarówno w funkcjonowaniu roślin, jak i zwierząt. Pozwala on na adaptację organizmu do aktualnej pory dnia na poziomie fizjologii i zachowania. Indywidualny, dobowy rytm funkcjonowania, który wyznacza preferencję organizmu dotyczącą optymalnego wzorca samopoczucia i funkcjonowania w ciągu doby, nazywamy chronotypem.
Początkowo obiektem badań dotyczących rytmów dobowych były głównie rośliny – szybkość ich wzrostu czy zamykanie i rozchylanie płatków o określonej porze dnia. Następnie badania poszerzono o obserwacje zwierząt i ich zachowania – zmian ubarwienia skorupiaków, aktywności ruchowej owadów czy szczurów. Obecnie naukowcy uważają, że wszystkie organizmy żywe (zarówno jednokomórkowe, jak i wielkokomórkowe) mierzą czas poprzez działanie wewnętrznych procesów powtarzających się rytmicznie w ciągu doby.
1. Rytm okołodobowy – podstawowa charakterystyka i obszary regulacji
Rytm biologiczny jest rozumiany jako oscylacja określonego procesu biologicznego w czasie, stąd jego źródło (mechanizm wywołujący oscylacje) nazywa się “oscylatorem” lub, potocznie, “zegarem biologicznym”. Umożliwia on dostosowanie fizjologii i zachowań organizmu do aktualnej pory dnia. Warunkuje między innymi dobowe zmiany w zakresie wysokości ciśnienia krwi, zużycia tlenu i wydalania dwutlenku węgla, częstości tętna i oddechu, gospodarki wodnej i ciepłoty ciała, czynności wątroby, żołądka, przysadki czy nadnerczy, uczestniczy w regulacji wzorców snu i żywienia. Długotrwałe zaburzenia tych rytmów uważane są za czynnik ryzyka między innymi chorób serca, cukrzycy, otyłości i chorób układu nerwowego.
2. Wewnętrzne i zewnętrzne regulatory rytmu okołodobowego
Rytm okołodobowy ma charakter endogenny, powstaje pod wpływem bodźców pochodzących z samego organizmu. W organizmie ssaków za główny ośrodek układu nerwowego generujący rytmy dobowe uznaje się jądra nadskrzyżowaniowe (łac. nucleus suprachiasmaticus, SCN) podwzgórza. Jest to obszar zlokalizowany ponad skrzyżowaniem wzrokowym, a jego działanie jest uwarunkowane genetycznie. Nawet pojedyncze, wyizolowane komórki tego obszaru samodzielnie wytwarzają stosunkowo regularny, choć mniej stabilny niż cała grupa, rytm. SCN reguluje okołodobowy rytm wydzielania melatoniny przez szyszynkę, wpływając tym samym na przebieg cyklu snu i czuwania.
Mimo endogennego charakteru rytmu okołodobowego, pewien wpływ na jego działanie mają również czynniki środowiskowe. Terminem Zeitgeber (niem. “dawca czasu”) określa się zewnętrzne czynniki, które są w stanie synchronizować pracę zegara biologicznego, a w konsekwencji procesy endogenne organizmu. Do najważniejszych regulatorów zewnętrznych należą dobowe zmiany światła. Przetwarzanie informacji dotyczących ekspozycji na światło możliwe jest dzięki współdziałaniu jąder nadskrzyżowaniowych i jąder przykomorowych (łac. paraventricular nucleus, PVN). Informacje te są przekazywane od wyspecjalizowanych światłoczułych komórek siatkówki oka do SCN za pośrednictwem szlaku siatkówkowo-podwzgórzowego.
W warunkach środowiska pozbawionego wyznacznika czasu rytmika dobowa ulega pewnym zmianom opisywanym przez zjawisko dryfowania, w którym początek i zakończenie określonej fazy rytmu stopniowo przesuwa się w czasie w stosunku do godzin czasu lokalnego. Następuje zatem przyspieszenie lub opóźnienie określonej fazy rytmu w następujących po sobie dniach.
3. Rytm okołodobowy – najważniejsze obszary badań
Rytmy biologiczne są obiektem szerokich badań w ramach chronobiologii oraz podlegających jej dziedzin:
- chronofizjologia zajmuje się procesami życiowymi zachodzącymi w organizmie, jego tkankach i komórkach, zmieniającymi się w rytmie dobowym: zmianami metabolizmu, dobowymi zmianami funkcji narządów endokrynnych, zmianami w układzie krwionośnym i nerwowym, rytmiką zachowania się organizmów, rozwojem ontogenetycznym organizmów, rytmami komórkowymi dobowych zmian syntezy RNA, białek czy zmianami aktywności enzymów
- chronofarmakologia zajmuje się wpływem różnych substancji chemicznych na przebieg rytmiki dobowej procesów życiowych
- chronopatologia zajmuje się zmianami w rytmice dobowej powodowanymi przez wszelkiego typu schorzenia oraz mechanizmami powstawania chorób (także tych, u których podłoża mogą leżeć zakłócenia rytmów okołodobowych)
- chronotoksykologia zajmuje się wpływem czynników chemicznych i fizycznych na rytmikę zjawisk biologicznych
- chronopsychologia zajmuje się rolą rytmów okołodobowych (w szczególności chronotypu) w funkcjonowaniu psychicznym człowieka – ich wpływem na fluktuacje nastroju czy sprawność funkcji poznawczych
4. Molekularne mechanizmy kontrolujące rytm okołodobowy
W roku 2017 Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za odkrycie mechanizmów molekularnych kontrolujących rytm okołodobowy u muszek owocowych uhonorowani zostali Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young. Przypisali one główne znaczenie oscylacjom ekspresji genu per (period) produkującego białko PER. Kiedy gen per zostaje aktywowany, wytwarzane jest period mRNA, które po przetransportowaniu do cytoplazmy komórki pozwala na produkcję białka PER. Białko to następnie akumuluje się w jądrze komórkowym, blokując aktywność genu per. Do blokady dochodzi dzięki wiązaniu białka PER z białkiem TIM produkowanym przez gen tim (timeless). Obydwa białka gromadzą się przez noc, a z biegiem dnia ulegają degradacji. Degradacja białka TIM rozpoczyna się na skutek bodźca świetlnego (pod wpływem innego białka – CRY). Zamyka to pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego, które stanowi podłoże rytmu okołodobowego. Okołodobowy (trwający ok. 24h) charakter rytmu zachowywany jest dzięki aktywności białka DBT, które opóźnia produkcję białek PER i TIM oraz hamuje gromadzenie się białka PER.
5. Zaburzenia rytmu okołodobowego
Zaburzenia rytmu okołodobowego wiązane są z wieloma chorobami, w tym z chorobami serca, cukrzycą, otyłością, zaburzeniami nastroju i snu. W przypadku wielu schorzeń istnieją jednak sprzeczne dowody dotyczące pierwotnego lub wtórnego charakteru zmian okołodobowych. Zaburzenia rytmu okołodobowego bywają uznawane zarówno za czynnik ryzyka, podłoże, jak i objawy konkretnych jednostek diagnostycznych.
W diagnostyce zaburzeń rytmu okołodobowego niezwykle ważne jest różnicowanie i wykluczenie innych przyczyn (np. zaburzeń psychicznych, działania substancji psychoaktywnych). Najczęściej wykorzystywanymi w procesie diagnostycznym metodami są aktygrafia oraz metody samoopisowe w postaci dzienniczków snu. Terapia (suplementacja melatoniny, farmakoterapia, psychoterapia) najczęściej koncentruje się na współwystępującej bezsenności.
Mianem zaburzeń rytmu okołodobowego określa się:
- zaburzenia snu związane z pracą zmianową – zaburzenie występujące u osób pracujących w systemie zmianowym, objawia się odczuwaniem senności w czasie pracy oraz bezsenności w czasie wolnym
- zespoły zmienionej fazy snu:
- zespół opóźnionej fazy snu – objawia się trudnościami w zaśnięciu przed 3:00 i bezsennością, częściej dotyka osób dorastających i młodych dorosłych, za czynnik ryzyka wystąpienia tego zaburzenia uznaje się chronotyp wieczorny
- zespół przyspieszonej fazy sny – objawia się trudnościai z powstrzymaniem snu po 21:00 i bezsennością, częściej dotyka osób w wieku średnim i starszym, za czynnik ryzyka wystąpienia tego zaburzenia uznaje się chronotyp poranny
- rytm okołodobowy swobodnie biegnący – objawia się niedostosowaniem funkcjonowania do 24-godzinnego dnia, zmiennością pór snu i czuwania, okresami nadmiernej senności i bezsenności.
- rytm z nieregularnymi porami snu i czuwania – objawia się fragmentacją snu na co najmniej trzy okresy w ciągu doby, z czego główny okres snu przypada między 2:00 a 6:00, często występuje w przebiegu choroby Alzheimera i schizofrenii
Z zaburzeniami rytmu okołodobowego ściśle związany jest również zespół nagłej zmiany strefy czasowej (ang. jet-lag) często występujący w przypadku podróży ze zmianą strefy czasowej. Doświadczane objawy są uzależnione od typu zmiany – podczas gdy podróż w kierunku wschodnim powoduje głównie problemy z zaśnięciem, podróż w kierunku zachodnim skutkuje głównie zbyt wczesnymi pobudkami i jest lepiej tolerowana przez organizm. Poza zaburzeniami snu, objawy mogą dotyczyć między innymi możliwości skupienia uwagi, odczuwanego zmęczenia, zaburzeń funkcjonowania układu pokarmowego, i zmian samopoczucia. Suplementacja melatoniny i szybkie dostosowanie aktywności do czasu lokalnego skutkują złagodzeniem objawów.