Støj i biorytmen:biologiske ure reagerer forskelligt på lysudsving

Enhver, der har oplevet jetlag, kender kraften i det biologiske ur. Næsten alle organismer, fra mennesker til de mindste bakterier, har et indbygget system, der fortæller dem, om det er tid til at hvile eller være aktiv. De fleste biologiske ure 'tikker' autonomt, men nogle bakterier er afhængige af lys for at synkronisere deres ur hver dag. Ved hjælp af matematiske beregninger, forskere fra AMOLF og University of Michigan har nu vist, at et autonomt ur lider langt mindre af støj, såsom udsving i sollys på grund af skyer. Forskningsresultaterne blev offentliggjort online den 14. august, 2018, i det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Stort set alle organismer har en dag-nat rytme, hvorved de spiser og sover på faste tidspunkter af dagen, for eksempel. Denne rytme dikteres af proteinkoncentrationerne i organismens celler, der svinger over en periode på 24 timer. Disse omfatter døgnrytmen.

Jetlag

I de fleste arter, døgnrytmen afhænger ikke af eksterne signaler som lys og mørke. "Hvis du skulle begrænse mennesker eller dyr i et rum uden lys, så ville de stadig have behov for søvn eller mad i en rytme på omkring 24 timer. Alligevel, vores biologiske ur er følsomt over for lys og mørke, "siger Pieter Rein ten Wolde, der leder gruppen Biochemical Networks hos AMOLF. "Perioden på cirka 24 timer er sat, men faserne kan skifte. Hvis vi rejser til den anden side af verden, så har vi brug for tid til at justere-dette er det velkendte fænomen jetlag. Imidlertid, vi opfanger hurtigt den skiftede dag-nat-rytme i det nye miljø. "

Nogle bakterier, imidlertid, have, hvad biologer omtaler som et timeglasur. Disse ure skal nulstilles med lys hver dag. Hvis det ikke sker, så holder uret op med at tikke. Ten Wolde:"Sådanne timeglasure findes i visse typer cyanobakterier, de blå alger, der nu forurener svømmevand mange steder. Andre cyanobakterier har et autonomt biologisk ur, selvom. Ved hjælp af matematiske modeller, Vi har undersøgt, hvad fordelen er ved autonome døgnradioure. "

Modellering

Forskerne opdagede, at effekten af ​​støj er forskellig for de to typer ur. For et biologisk ur, variationer i solens intensitet på grund af skyer, for eksempel, er en vigtig kilde til støj. "Vi opdagede, at autonome ure er langt mindre følsomme over for sådan støj, "siger Ten Wolde." Vi kan modellere et timeglasur som et pendul. Så længe et eksternt signal driver det, den forbliver i bevægelse. En stærk drivmekanisme sikrer svingninger af en stor amplitude og derfor en bedre tidsangivelse. I tilfælde af en stærk kobling, imidlertid, små ændringer i indgangssignalet forstærkes også, hvilket gør det sværere at fortælle tiden præcist. Omvendt en svag kobling begrænser påvirkningen af ​​støj, men med sådan en svag kobling, det er svært at opretholde svingningerne, med andre ord pendulbevægelsen. "

Det er derfor umuligt at minimere effekten af ​​støj i tilfælde af et timeglasur. Autonome ure, på den anden side, fortsætte med at svinge godt uden behov for en ekstern drivmekanisme. For disse ure, en svag kobling med det eksterne lys er nok til at nulstille uret i tilfælde af store skift i den daglige rytme, såsom en tur til et andet kontinent. Følgelig, autonome ure oplever langt mindre hindringer fra støj og er mere robuste. "Vi fandt dette resultat både i de modeller, vi specifikt udviklede til biologiske ure af cyanobakterier, såvel som i en mere generel matematisk model for ure, "siger Ten Wolde." Pålideligheden i tilfælde af ekstern støj er sandsynligvis årsagen til, at alle højere organismer har et autonomt biologisk ur. Hvorfor der stadig findes timeglasure i naturen, er uklart. Selvom disse er en ulempe i tilfælde af ekstern støj, timeglasure giver muligvis en fordel, hvis der er meget støj i organismen. "