Физики выяснили, почему жара не сбивает наши биологические часы

Стабильность биоритмов сохраняется, несмотря на ускорение химических реакций с ростом температуры, передает naukatv.ru

Как организм понимает, когда пора спать или просыпаться? Это давно не секрет — у нашего тела есть биологические часы, работающие примерно в 24-часовом цикле. Большинство химических реакций ускоряются при повышении температуры, поэтому оставалось загадкой, как наш организм компенсирует сезонные колебания температуры — или даже переходы между летней жарой на улице и прохладой кондиционируемых помещений.

Для выяснения механизмов стабильности биочасов японские ученые прибегли к методам теоретической физики — а полученные результаты проверили в экспериментах на мышах и плодовых мушках. Результаты исследования увидели свет на страницах PLOS Computational Biology.

Биологические часы работают благодаря циклическим колебаниям уровня мРНК — молекул, кодирующих производство белков, — которые возникают из-за ритмического включения и выключения определенных генов. Математически ритм производства и снижения уровня мРНК можно описать синусоидой — так же, как и движение маятника часового механизма.

Для анализа этих колебаний ученые из Центра междисциплинарных теоретических и математических наук RIKEN (iTHEMS) обратились к теоретической физике, в частности, к методу ренормализационной группы — чтобы выделить ключевые медленно меняющиеся динамические процессы в системе мРНК-ритмов.

Результаты показали, что при более высоких температурах уровень мРНК должен расти быстрее, а снижаться медленнее, но, что важно, продолжительность одного цикла должна оставаться постоянной. Если изобразить это графически, такой ритм при высокой температуре выглядит как асимметричная, перекошенная волна.

Но происходит ли это изменение в реальных организмах? Чтобы проверить теорию, исследователи изучили экспериментальные данные плодовых мушек и мышей. Действительно, при более высоких температурах у этих животных наблюдалось предсказанное искажение формы волны, что подтвердило соответствие теоретических расчетов биологической реальности. Ученые пришли к выводу, что искажение формы волны — ключевой механизм температурной компенсации в биологических часах, особенно замедление снижения уровня мРНК в каждом цикле.

Кроме того, оказалось, что это искажение влияет на то, насколько хорошо биологические часы синхронизируются с внешними сигналами, такими как свет и темнота. Анализ предсказал, что при усилении искажения волны биологические часы становятся стабильнее, а внешние сигналы почти не влияют на них. Это теоретическое предсказание совпадает с экспериментальными наблюдениями у мух и грибов — и особенно важно, поскольку нерегулярные циклы освещенности стали частью современной жизни для большинства людей.

«Наши результаты показывают, что искажение формы волны играет ключевую роль в том, как биологические часы сохраняют точность и синхронизацию даже при изменении температуры», — пояснил физик Ген Куросава из RIKEN iTHEMS.

По его словам, конкретные молекулярные механизмы, регулирующие выработку мРНК, предстоит установить в дальнейших исследованиях. Ученые намерены также узнать, как искажение формы волны отличается у разных видов и даже у отдельных людей — поскольку возраст и индивидуальные особенности могут влиять на работу внутренних часов.

«В долгосрочной перспективе степень искажения формы волны в генах часов может стать биомаркером, который поможет лучше понять расстройства сна, джетлаг и влияние старения на наши внутренние часы. Это также может выявить универсальные закономерности в работе ритмов — не только в биологии, но и во многих системах, основанных на повторяющихся циклах», — заключил Куросава.