Zirkadianer Rhythmus

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Zirkadianer Rhythmus
Biological clock human.svg
Merkmale der menschlichen zirkadianen biologischen Uhr
Aussprache
Frequenz Wiederholt sich ungefähr alle 24 Stunden

A zirkadianer Rhythmus (/sərˈkeɪdiən/), oder zirkadianer Zyklus, ist ein natürlicher interner Prozess, der den Schlaf -Wach -Zyklus reguliert und ungefähr alle 24 Stunden wiederholt.[1] Es kann sich auf jeden Prozess beziehen, der in einem Organismus stammt (d. H., endogen) und reagiert auf die Umgebung (mitgenommen durch die Umwelt). Diese 24-Stunden-Rhythmen werden von a angetrieben zirkadiane Uhrund sie wurden weithin beobachtet in Tiere, Pflanzen, Pilze und Cyanobakterien.[2]

Der Begriff zirkadian kommt von Latein zirka, bedeutet "um" (oder "ungefähr") und Diēm, was "Tag" bedeutet. Prozesse mit 24-Stunden-Zyklen werden allgemeiner genannt Tagesrhythmen; Tagesrhythmen sollten nicht als zirkadiane Rhythmen bezeichnet werden, es sei denn, sie können als endogen und nicht als Umwelt bestätigt werden.[3]

Obwohl zirkadiane Rhythmen endogen sind, werden sie durch externe Hinweise genannt an die lokale Umgebung angepasst Zeitber (Deutsch für "Time Givers"), einschließlich Licht, Temperatur und umfassen Redox Fahrräder. In klinischen Umgebungen ist ein abnormaler zirkadianer Rhythmus beim Menschen als a bekannt zirkadiane Rhythmus -Schlafstörung.[4]

Geschichte

Während es in östlichen und indianischen Kulturen mehrere Erwähnungen von "Natural Body Cycle" gibt, wird der früheste westliche Bericht über einen zirkadianen Prozess zugeschrieben Theophrastus, aus dem 4. Jahrhundert v. Chr., Wahrscheinlich ihm durch Bericht über zur Verfügung gestellt Androsthenes, a Schiffskapitän dienen unter Alexander der Große. In seinem Buch "περὶ φυτῶν ἱστορία" oder "Untersuchung in Pflanzen" beschreibt Theophrastus einen "Baum mit vielen Blättern wie die Roseund das schließt nachts, beginnt aber bei Sonnenaufgang und ist bis Mittag vollständig entfaltet; Und am Abend schließt es wieder nach und nach und bleibt nachts geschlossen, und die Eingeborenen sagen, dass es schlafen geht. "[5] Der von ihm erwähnte Baum wurde viel später als der identifiziert Tamarinde Der Baum des Botanikers H Bretzl in seinem Buch über die botanischen Erkenntnisse der Alexandrian -Kampagnen.[6]

Die Beobachtung eines zirkadianen oder täglichen Prozesses beim Menschen wird im erwähnt Chinesische medizinische Texte datiert auf das 13. Jahrhundert, einschließlich der Mittags- und Mitternachtshandbuch und die Mnemonischer Reim, der die Auswahl der ACU-Punkte gemäß dem täglichen Zyklus, dem Tag des Monats und der Jahreszeit des Jahres hilft.[7]

1729 französischer Wissenschaftler Jean-Jacques d'ORTOUS DE MAIRAN führte das erste Experiment durch, um eine endogene Uhr von Reaktionen auf tägliche Reize zu unterscheiden. Er bemerkte, dass 24-Stunden-Muster in der Bewegung der Blätter der Pflanze Mimosa Pudica Beharrte, selbst wenn die Pflanzen in ständiger Dunkelheit gehalten wurden.[8][9]

1896 beobachteten Patrick und Gilbert das während einer längeren Zeit von SchlafentzugDie Schläfrigkeit nimmt zu und nimmt mit einem Zeitraum von ca. 24 Stunden ab.[10] Im Jahr 1918, J.S. Szymanski zeigte, dass Tiere ohne externe Hinweise wie Licht und Temperaturänderungen in der Lage sind, 24-Stunden-Aktivitätsmuster aufrechtzuerhalten.[11]

Im frühen 20. Jahrhundert wurden zirkadiane Rhythmen in den rhythmischen Fütterungszeiten von Bienen festgestellt. Auguste Forel, Ingeborg Belingund Oskar Wahl führte zahlreiche Experimente durch, um festzustellen, ob dieser Rhythmus auf eine endogene Uhr zurückzuführen war.[12] Die Existenz des zirkadianen Rhythmus wurde unabhängig voneinander entdeckt in Fruchtfliegen 1935 von zwei deutschen Zoologen, Hans Kalmus und Erwin Bünning.[13][14]

1954 ein wichtiges Experiment von von gemeldetem von Colin Pittendrigh zeigte das Eklosion (der Prozess von Puppe in Erwachsener verwandeln) in Drosophila pseudoobscura war ein zirkadianes Verhalten. Er zeigte, dass die Temperatur zwar eine wichtige Rolle im Eklosionsrhythmus spielte, die Eklosionsdauer verzögert wurde, aber nicht gestoppt wurde, wenn die Temperatur verringert wurde.[15][14]

Der Begriff zirkadian wurde von geprägt von Franz Halberg 1959.[16] Nach Halbergs ursprünglicher Definition:

Der Begriff "zirkadian" wurde abgeleitet zirka (über) und stirbt (Tag); Es kann dazu dienen, zu implizieren, dass bestimmte physiologische Perioden fast 24 Stunden, wenn nicht genau so lang sind. Hierin kann "circadian" auf alle "24-Stunden" -Rhythmen angewendet werden, ob ihre Perioden einzeln oder im Durchschnitt von 24 Stunden, länger oder kürzer, um einige Minuten oder Stunden unterscheiden.[17][18]

1977 übernahm der Internationale Ausschuss für Nomenklatur der Internationalen Gesellschaft für Chronobiologie die Definition formell:

Zirkadian: In Bezug auf biologische Variationen oder Rhythmen mit einer Häufigkeit von 1 Zyklus in 24 ± 4 h; zirka (ungefähr, ungefähr) und stirbt (Tag oder 24 h). HINWEIS: Der Term beschreibt Rhythmen mit einer Zykluslänge von etwa 24-Stunden, unabhängig davon, ob sie mit (akzeptabel) frequenzsynchronisiert sind oder von der lokalen Umgebungszeitskala aus dem lokalen Umgebungszeitraum deynchronisiert oder freigelassen werden, mit Perioden mit geringfügigem und konsequent von 24-Stunden.[19]

Ron Konopka und Seymour Benzer identifizierte die erste Taktmutation in Drosophila 1971 benannte das Gen "das Gen"Zeitraum"(pro) Gen, die erste entdeckte genetische Determinante der Verhaltensrhythmik.[20] pro Gene wurde 1984 von zwei Forschungsteams isoliert. Konopka, Jeffrey Hall, Michael Roshbash und ihr Team haben das gezeigt pro Locus ist das Zentrum des zirkadianen Rhythmus und dieser Verlust von pro Stoppt die zirkadiane Aktivität.[21][22] Gleichzeitig berichtete das Team von Michael W. Young ähnliche Auswirkungen von pround dass das Gen 7,1-Kilobase (KB) -Intervall am X-Chromosom abdeckt und eine 4,5-kb-Poly (A)+ -RNA codiert.[23][24] Sie fanden weiter die Schlüsselgene und Neurone in Drosophila zirkadianes System, für das Hall, Rosbash und Young das erhielten Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2017.[25]

Joseph Takahashi entdeckte die erste Säugetier -Circadian Clock -Mutation (Uhrδ19) Mit Mäusen im Jahr 1994.[26][27] Jüngste Studien zeigen jedoch, dass die Löschung von Uhr führt nicht zu einem Verhaltensphänotyp (die Tiere haben immer noch normale zirkadiane Rhythmen), was seine Bedeutung für die Rhythmusgeneration in Frage stellt.[28][29]

Die erste menschliche Taktmutation wurde von Chris Jones in einer erweiterten Familie Utah identifiziert und durch Ying-Hui Fu und Louis Ptacek genetisch gekennzeichnet. Betroffene Personen sind extrem. 'Morgenlarke'Mit 4 Stunden fortgeschrittener Schlaf und anderen Rhythmen. Diese Form von Familiäres Fortgeschrittenen -Schlafphasen -Syndrom wird durch eine einzige verursacht Aminosäure Veränderung, S662➔g, im menschlichen Per2 -Protein.[30][31]

Kriterien

Um zirkadian genannt zu werden, muss ein biologischer Rhythmus diese drei allgemeinen Kriterien erfüllen:[32]

  1. Der Rhythmus hat eine endogene freie Zeit, die ungefähr 24 Stunden dauert. Der Rhythmus bleibt unter ständigen Bedingungen (d. H. Ständige Dunkelheit) mit einer Zeit von etwa 24 Stunden bestehen. Die Periode des Rhythmus unter ständigen Bedingungen wird als freier Zeitraum bezeichnet und mit dem griechischen Buchstaben τ (Tau) gekennzeichnet. Die Begründung für dieses Kriterium besteht darin, zirkadiane Rhythmen von einfachen Reaktionen auf tägliche externe Hinweise zu unterscheiden. Ein Rhythmus kann nicht gesagt werden endogen Es sei denn, es wurde getestet und bleibt unter Bedingungen ohne externe periodische Eingabe bestehen. Bei täglichen Tieren (bei Tageslicht) ist τ im Allgemeinen etwas mehr als 24 Stunden, während bei nächtlichen Tieren (nachts aktiv) im Allgemeinen τ kürzer als 24 Stunden ist.
  2. Die Rhythmen sind mit Mitnehmen. Der Rhythmus kann durch Exposition gegenüber externen Reizen (wie Licht und Wärme) zurückgesetzt werden, ein Prozess genannt Mitnahme. Der externe Stimulus, der verwendet wird, um einen Rhythmus mitzunehmen Zeitger, oder "Zeitspender". Reisen über Zeitzonen zeigt die Fähigkeit der menschlichen biologischen Uhr, sich an die lokale Zeit anzupassen; Eine Person wird normalerweise erleben Jetlag Vor dem Mitnahme ihrer circadianen Uhr hat es mit lokaler Zeit in Synchronisierung gebracht.
  3. Die Rhythmen zeigen eine Temperaturkompensation. Mit anderen Worten, sie bewahren die zirkadiane Periodizität über eine Reihe physiologischer Temperaturen auf. Viele Organismen leben in einem breiten Bereich von Temperaturen, und Unterschiede in der Wärmeenergie beeinflussen die Kinetik von allen molekularen Prozessen in ihren Zellen. Um die Zeit im Auge zu behalten, muss die zirkadiane Uhr des Organismus trotz der sich ändernden Kinetik, eine Eigenschaft, die als Temperaturkompensation bezeichnet wird, ungefähr 24-Stunden-Periodizität aufrechterhalten. Das Q10 Temperaturkoeffizient ist ein Maß für diesen Ausgleichseffekt. Wenn das q10 Der Koeffizient bleibt ungefähr 1, wenn die Temperatur zunimmt, der Rhythmus wird als temperaturkompensiert angesehen.

Herkunft

Zirkadiane Rhythmen ermöglichen es Organismen, präzise und regelmäßige Umweltveränderungen vorwegzunehmen und vorzubereiten. Sie ermöglichen damit Organismen, die Umweltressourcen (z. B. Licht und Lebensmittel) besser zu nutzen, verglichen mit denen, die eine solche Verfügbarkeit nicht vorhersagen können. Es wurde daher vermutet, dass zirkadiane Rhythmen Organismen in evolutionärer Begriff zu einem selektiven Vorteil bringen. Die Rhythmizität scheint jedoch für die Regulierung und Koordinierung genauso wichtig zu sein intern Stoffwechselprozesse, wie bei der Koordination mit dem Umgebung.[33] Dies wird durch die Erhaltung (Heritabilität) von zirkadianen Rhythmen in Fruchtfliegen nach mehreren hundert Generationen unter ständigen Laborbedingungen vorgeschlagen.[34] sowie in Kreaturen in ständiger Dunkelheit in freier Wildbahn und durch die experimentelle Eliminierung des Verhaltens - aber nicht physiologisch - kircadische Rhythmen in Wachtel.[35][36]

Was zirkadiane Rhythmen zur Entwicklung trieben, war eine rätselhafte Frage. Frühere Hypothesen betonten, dass photosensitive Proteine ​​und zirkadiane Rhythmen möglicherweise in den frühesten Zellen zusammengefasst sein könnten, um die Replikation der DNA vor hohen Schäden zu schützen Ultraviolett Strahlung während des Tages. Infolgedessen wurde die Replikation in die Dunkelheit abgestiegen. Es fehlt jedoch Beweise dafür, da die einfachsten Organismen mit einem zirkadianen Rhythmus, die Cyanobakterien, das Gegenteil davon tun - sie teilen sich tagsüber mehr.[37] Jüngste Studien unterstreichen stattdessen die Bedeutung der Koevolution von Redoxproteinen mit zirkadianen Oszillatoren in allen drei Lebensbereichen, folgten dem dem der demes Tolles Oxidationsereignis Vor ungefähr 2,3 Milliarden Jahren.[2][4] Die aktuelle Ansicht ist, dass zirkadiane Veränderungen im Umweltsauerstoffgehalt und die Produktion von reaktive Sauerstoffspezies (ROS) In Gegenwart von Tageslicht dürfen wahrscheinlich eine Notwendigkeit der Entwicklung von zirkadianen Rhythmen vorangetrieben und daher täglich die Redoxreaktionen entgegenwirken und entgegenwirken.

Das einfachste bekannte Zirkadiane Uhren sind bakterielle zirkadiane Rhythmen, beispielhaft durch das Prokaryote Cyanobakterien. Jüngste Untersuchungen haben gezeigt, dass die zirkadiane Uhr von Synechococcus elongatus kann rekonstituiert werden in vitro mit nur den drei Proteinen (Kaia, Kaib, Kaic)[38] von ihrem zentralen Oszillator. Es wurde gezeigt, dass diese Uhr über mehrere Tage nach Zugabe von 22 Stunden Rhythmus aufrechterhalten wird ATP. Frühere Erklärungen der prokaryotisch Der zirkadiane Zeitnehmer war abhängig von einem DNA -Transkriptions-/Translations -Rückkopplungsmechanismus.

Ein Defekt im menschlichen Homolog der Drosophila "Zeitraum"Gene wurde als Ursache für die Schlafstörungen identifiziert (FASPS (Familiäres Fortgeschrittenen -Schlafphasen -Syndrom), unterstreicht die konservierte Natur der molekularen zirkadianen Uhr durch Evolution. Viele weitere genetische Komponenten der biologischen Uhr sind jetzt bekannt. Ihre Wechselwirkungen führen zu einer unverstockten Rückkopplungsschleife von Genprodukten, die zu periodischen Schwankungen führen, die die Zellen des Körpers als eine bestimmte Tageszeit interpretieren.[39]

Es ist nun bekannt, dass die molekulare zirkadiane Uhr innerhalb einer einzelnen Zelle funktionieren kann. Das heißt, es ist zellautonom.[40] Dies wurde durch gezeigt Genblock In isolierten Mollusk -basalen Netzhautneuronen (BRNS).[41] Gleichzeitig können verschiedene Zellen miteinander kommunizieren, was zu einem synchronisierten Ausgang der elektrischen Signalübertragung führt. Diese können mit einer Verbindung mit der Vernetzung mit der Verbindung stehen Endokrine Drüsen des Gehirns zu einer periodischen Freisetzung von Hormonen. Die Rezeptoren für diese Hormone können weit über den Körper liegen und die peripheren Uhren verschiedener Organe synchronisieren. Somit sind die Informationen der Tageszeit, wie sie von dem weitergeleitet werden Augen Reisen Sie im Gehirn zur Uhr und dadurch können Uhren im Rest des Körpers synchronisiert werden. Auf diese Weise werden der Zeitpunkt von Schlaf/Wake, Körpertemperatur, Durst und Appetit von der biologischen Uhr koordiniert kontrolliert.[42][43]

Bedeutung bei Tieren

Die zirkadiane Rhythmik ist in den Schlaf- und Fütterungsmustern von Tieren, einschließlich Menschen, vorhanden. Es gibt auch klare Muster der Kernkörpertemperatur, Gehirnwelle Aktivität, Hormon Produktion, Zellregeneration und andere biologische Aktivitäten. Zusätzlich, PhotoperioodismusDie physiologische Reaktion von Organismen auf die Dauer des Tages und die Nacht ist sowohl für Pflanzen als auch für Tiere von entscheidender Bedeutung, und das zirkadiane System spielt eine Rolle bei der Messung und Interpretation der Tageslänge. Die zeitnahe Vorhersage der saisonalen Perioden der Wetterbedingungen, der Verfügbarkeit von Nahrung oder der Raubtieraktivität ist für das Überleben vieler Arten von entscheidender Bedeutung. Obwohl nicht der einzige Parameter, ist die sich ändernde Länge der Photoperiode ('DayLength') der prädiktivste Umweltscheide für den saisonalen Zeitpunkt der Physiologie und des Verhaltens, insbesondere für den Zeitpunkt der Migration, Winterschlaf und Fortpflanzung.[44]

Auswirkung der zirkadianen Störung

Mutationen oder Deletionen des Uhrengens bei Mäusen haben die Bedeutung von Körperuhren gezeigt, um den richtigen Zeitpunkt für zelluläre/metabolische Ereignisse zu gewährleisten. Uhr-mutante Mäuse sind hyperphagisch und fettleibig und haben den Glukosestoffwechsel verändert.[45] Bei Mäusen die Löschung der Rev-Erba Alpha Das Uhrengen erleichtert die durch Ernährung induzierte Fettleibigkeit und verändert das Gleichgewicht zwischen Glukose- und Lipidnutzung, die für Diabetes prädisponiert werden.[46] Es ist jedoch nicht klar, ob es einen starken Zusammenhang zwischen dem Takt -Gen -Polymorphismen beim Menschen und der Anfälligkeit für die Entwicklung des metabolischen Syndroms gibt.[47][48]

Einfluss des Licht -Dark -Zyklus

Der Rhythmus ist mit dem Hell -Dark -Zyklus verbunden. Tiere, einschließlich Menschen, die längere Zeit in völliger Dunkelheit gehalten werden, funktionieren schließlich mit a Freilauf Rhythmus. Ihr Schlafzyklus wird jeden "Tag" zurückgedrückt oder vorwärts gedrückt, je nachdem, ob ihr "Tag", ihr endogen Periode ist kürzer oder länger als 24 Stunden. Die Umwelthinweise, die die Rhythmen jeden Tag zurücksetzen, werden als Zeiterger (vom deutschen "Zeit-Givers") bezeichnet.[49] Völlig blinde unterirdische Säugetiere (z. B.,, Blinde Mole -Ratte Spalax sp.) sind in der Lage, ihre endogenen Uhren in offensichtlicher Abwesenheit von externen Reizen aufrechtzuerhalten. Obwohl sie keine bildbildenden Augen haben, sind ihre Photorezeptoren (die Licht nachweisen) immer noch funktional; Sie tun auch regelmäßig Oberflächen.[Seite benötigt][50]

Freilebende Organismen, die normalerweise ein oder zwei konsolidierte Schlaf-Episoden haben, werden sie noch in einer Umgebung haben, die vor externen Hinweisen abgeschirmt ist, aber der Rhythmus ist nicht mit dem 24-Stunden-Hell-Dark-Zyklus in der Natur mitgenommen. Der Schlaf -Wach -Rhythmus kann unter diesen Umständen mit einem anderen zirkadianen oder außerhalb der Phase werden Ultradian Rhythmen wie metabolische, hormonelle, ZNS -Elektro- oder Neurotransmitter -Rhythmen.[51]

Jüngste Forschungen haben das Design von beeinflusst Raumfahrzeug Umgebungen, als Systeme, die den Hell -Dark -Zyklus imitieren, haben sich für Astronauten als hoch vorteilhaft erwiesen.[unzuverlässige medizinische Quelle?][52] Lichttherapie wurde als Behandlung von Schlafstörungen.

Arktische Tiere

Norwegische Forscher an der Universität Tromsø haben gezeigt, dass einige Arktische Tiere (z.B., Schneehuhn, Rentier) Zeigen Sie zirkadiane Rhythmen nur in den Teilen des Jahres mit täglichen Sonnenaufgängen und Sonnenuntergängen. In einer Studie über Rentiere Tiere bei 70 Grad Norden zeigte zirkadiane Rhythmen im Herbst, Winter und Frühling, aber nicht im Sommer. Rentier auf Svalbard bei 78 Grad Norden zeigten solche Rhythmen nur im Herbst und Frühling. Die Forscher vermuten, dass auch andere arktische Tiere möglicherweise nicht zirkadiane Rhythmen im ständigen Licht des Sommers und der ständigen Dunkelheit des Winters zeigen.[53]

Eine Studie von 2006 in Nordalaska 2006 ergab, dass das Tagesleben Erdhörnchen und nachtaktiv Stachelschwein Behalten Sie ihre zirkadianen Rhythmen durch 82 Tage und Nächte Sonnenschein streng bei. Die Forscher spekulieren, dass diese beiden Nagetiere feststellen, dass der scheinbare Abstand zwischen Sonne und Horizont einmal am Tag kürzlich ist und somit ein ausreichendes Signal zum Mitnehmen (einstellen).[54]

Schmetterling und Motte

Die Navigation der Herbstmigration der Ost nordamerikanischer Monarch Schmetterling (Danaus Plexippus) Zu ihrem Überwinterungsgelände in Zentralmexiko verwendet ein zeitkompensierter Sonnenkompass, der von einer zirkadianen Uhr in ihren Antennen abhängt.[55][56] Es ist auch bekannt, dass der zirkadiane Rhythmus das Paarungsverhalten bei bestimmten Mottenarten wie z. Spodoptera littoralis, wo Frauen spezifisch produzieren Pheromon Das zieht den männlichen zirkadianen Rhythmus an und setzt zurück, um nachts eine Paarung zu induzieren.[57]

In Pflanzen

Schlafbaum bei Tag und Nacht

Pflanzliche zirkadiane Rhythmen sagen der Pflanze, in welcher Jahreszeit es sich handelt und wann sie blühen, um Bestäuber zu gewinnen. Verhaltensweisen, die Rhythmen zeigen, gehören unter anderem Blattbewegung, Wachstum, Keimung, stomataler/Gasaustausch, Enzymaktivität, photosynthetische Aktivität und Duftemission.[58] Zirkadiane Rhythmen treten auf, als eine Pflanze mit dem Eingang mit dem Lichtzyklus seiner Umgebung eingesetzt wird. Diese Rhythmen werden endogen erzeugt, sich selbst tragend und sind über einen Bereich von Umgebungstemperaturen relativ konstant. Wichtige Merkmale sind zwei interagierende Transkriptionsübertragungs-Rückkopplungsschleifen: Proteine, die PAS-Domänen enthalten, die Protein-Protein-Wechselwirkungen erleichtern; und mehrere Photorezeptoren, die die Uhr auf unterschiedliche Lichtbedingungen abteilen. Die Erwartung von Änderungen in der Umwelt ermöglicht geeignete Änderungen im physiologischen Zustand einer Anlage und verleiht einen adaptiven Vorteil.[59] Ein besseres Verständnis der pflanzlichen zirkadianen Rhythmen hat Anwendungen in der Landwirtschaft, z.

Licht ist das Signal, mit dem Pflanzen ihre inneren Uhren mit ihrer Umgebung synchronisieren und von einer Vielzahl von Photorezeptoren erfasst werden. Rot und blaues Licht werden durch mehrere Phytochrome absorbiert und Kryptochrome. Ein Phytochrom, Phya, ist das Hauptphytochrom in Sämlingen, die in der Dunkelheit gezüchtet werden, sich aber schnell im Licht verschlechtern, um Cry1 zu erzeugen. Phytochrome B - E sind stabiler mit Phyb, dem Hauptphytochrom in Sämlingen, die im Licht gezüchtet wurden. Das Cryptochrom (Cry) -Gen ist auch eine lichtempfindliche Komponente der circadianen Uhr und wird als Photorezeptor und als Teil des endogenen Herzschrittmachermechanismus der Uhr angenommen. Cryptochrome 1–2 (in Blau -UVA beteiligt) trägt dazu bei, die Periodenlänge in der Uhr durch einen ganzen Bereich von Lichtbedingungen aufrechtzuerhalten.[58][59]

Der zentrale Oszillator erzeugt einen sich selbst tragenden Rhythmus und wird von zwei interagierenden Rückkopplungsschleifen angetrieben, die zu verschiedenen Tageszeiten aktiv sind. Die Morgenschleife besteht aus CCA1 (circadian und Uhr-assoziiert 1) und LHY (spät verlängerte Hypokotyl), die eng verwandte MYB-Transkriptionsfaktoren codieren, die zirkadiane Rhythmen in regulieren Arabidopsissowie PRR 7 und 9 (Pseudo-Response-Regulatoren). Die Abendschleife besteht aus GI (Gigantea) und ELF4, die beide an der Regulierung der Blütenzeitgene beteiligt sind.[60][61] Wenn CCA1 und LHY überexprimiert werden (unter konstanten hellen oder dunklen Bedingungen), werden Pflanzen zu Arrhythmie und mRNA -Signale reduzieren, was zu einer negativen Rückkopplungsschleife beiträgt. Genexpression von CCA1 und lhy oszilliert am frühen Morgen, während TOC1 -Gen Expression schwingt am frühen Abend oszilliert und Peaks. Während zuvor angenommen wurde, dass diese drei Gene eine negative Rückkopplungsschleife modellieren, in der überexprimierte CCA1 und lhy TOC1 unterdrücken und überexprimiertes TOC1 ein positiver Regulator von CCA1 und LHY ist, ist[59] Es wurde 2012 von Andrew Millar und anderen gezeigt, dass TOC1 tatsächlich nicht nur als Repressor von CCA1, LHY und PRR7 und 9 in der Morgenschleife dient, sondern auch von GI und ELF4 in der Abendschleife. Dieser Befund und weitere Computermodellierung von TOC1 -Gen Funktionen und Wechselwirkungen deuten auf eine Auffrischung der zirkadianen Uhr als dreifache Negativkomponente hin Repressilator Modell anstelle der positiven Feedback-Schleife für positive/negative Elemente charakterisiert die Uhr bei Säugetieren.[62]

Im Jahr 2018 fanden die Forscher fest . Darüber hinaus ermöglicht die Wechselwirkung zwischen RVE8-LNKs ein maßgeblichem Histon-Methylierungsmuster (H3K4me3), und die Histonmodifizierung selbst entspricht der Schwingung der Takt-Genexpression.[63]

Zuvor wurde festgestellt, dass die Übereinstimmung mit dem zirkadianen Rhythmus einer Pflanze mit den hellen und dunklen Zyklen der äußeren Umgebung das Potenzial hat, die Pflanze positiv zu beeinflussen.[64] Die Forscher kamen zu diesem Schluss, indem sie Experimente an drei verschiedenen Sorten von durchführten Arabidopsis thaliana. Eine dieser Sorten hatte einen normalen 24-Stunden-zirkadianen Zyklus.[64] Die anderen beiden Sorten wurden mutiert, einer, um einen zirkadianen Zyklus von mehr als 27 Stunden zu haben, und einer für einen kürzeren als normalen zirkadianen Zyklus von 20 Stunden.[64]

Das Arabidopsis Mit dem 24-Stunden-zirkadianen Zyklus wurde in drei verschiedenen Umgebungen angebaut.[64] Eine dieser Umgebungen hatte einen 20-Stunden-hellen und dunklen Zyklus (10 Stunden Licht und 10 Stunden Dunkelheit), die andere hatte einen 24-Stunden-hellen und dunklen Zyklus (12 Stunden Licht und 12 Stunden Dunkelheit) und die Die endgültige Umgebung hatte einen 28-stündigen hellen und dunklen Zyklus (14 Stunden Licht und 14 Stunden Dunkelheit).[64] Die beiden mutierten Pflanzen wurden sowohl in einer Umgebung gezüchtet, die einen 20-stündigen hellen und dunklen Zyklus hatte, als auch in einer Umgebung mit einem 28-Stunden-hellen und dunklen Zyklus.[64] Es wurde festgestellt, dass die Vielfalt von Arabidopsis Mit einem 24-Stunden-zirkadianen Rhythmuszyklus wuchs in einer Umgebung, die auch einen 24-Stunden-hellen und dunklen Zyklus hatte, am besten.[64] Insgesamt wurde festgestellt, dass alle Sorten von Arabidopsis thaliana hatte ein höheres Maß an Chlorophyll und erhöhtes Wachstum in Umgebungen, deren helle und dunkle Zyklen ihrem zirkadianen Rhythmus entsprachen.[64]

Die Forscher schlugen vor, dass ein Grund dafür sein könnte Arabidopsis's Der zirkadiane Rhythmus in ihre Umgebung könnte es der Anlage ermöglichen, besser auf Dämmerung und Dämmerung vorbereitet zu sein und so ihre Prozesse besser zu synchronisieren.[64] In dieser Studie wurde auch festgestellt, dass die Gene, die zur Kontrolle von Chlorophyll helfen, einige Stunden nach dem Morgengrauen ihren Höhepunkt erreichten.[64] Dies scheint mit dem vorgeschlagenen Phänomen übereinzustimmen, das als metabolische Morgendämmerung bekannt ist.[65]

Nach der Hypothese der Metabolic Dawn haben Zucker, die durch Photosynthese erzeugt werden, das Potenzial, den zirkadianen Rhythmus und bestimmte Photosynthese- und Stoffwechselwege zu regulieren.[65][66] Wenn die Sonne aufgeht, wird mehr Licht verfügbar, was normalerweise mehr Photosynthese ermöglicht.[65] Der von Photosynthese erzeugte Zucker unterdrückt PRR7.[67] Diese Repression von PRR7 führt dann zur erhöhten Expression von CCA1.[67] Andererseits erhöhen ein verringerter photosynthetischer Zuckerspiegel die PRR7 -Expression und verringert die CCA1 -Expression.[65] Diese Rückkopplungsschleife zwischen CCA1 und PRR7 wird vorgeschlagen, um die metabolische Morgendämmerung zu verursachen.[65][68]

Im Drosophila

Hauptartikel: Drosophila circadianer Rhythmus
Schlüsselzentren des Säugetiers und Drosophila Gehirn (a) und das zirkadiane System in Drosophila (B).

Der molekulare Mechanismus des zirkadianen Rhythmus und der leichten Wahrnehmung ist am besten in Bezug auf Drosophila. Uhrengene werden aus entdeckt Drosophilaund sie wirken zusammen mit den Uhrenneuronen. Es gibt zwei einzigartige Rhythmen, einen während des Schlupfprozesses (genannt Eklosion) aus der Puppe und der andere während der Paarung.[69] Die Uhrenneurone befinden sich in verschiedenen Clustern im zentralen Gehirn. Die am besten verstandenen Uhrenneurone sind die großen und kleinen lateralen ventralen Neuronen (L-LNVs und S-LNVs) der Optiklappen. Diese Neurone produzieren einen Pigmentverteilungsfaktor (PDF), ein Neuropeptid, das als zirkadianer Neuromodulator zwischen verschiedenen Uhrenneuronen wirkt.[70]

Molekulare Wechselwirkungen von Taktgenen und Proteinen während Drosophila zirkadianer Rhythmus.

Drosophila Der zirkadiane Rhythmus erfolgt über eine Transkriptionsübertragungs-Rückkopplungsschleife. Der Kernuhrmechanismus besteht aus zwei voneinander abhängigen Rückkopplungsschleifen, nämlich der Per/TIM -Schleife und der CLK/CYC -Schleife.[71] Die CLK/CYC -Schleife tritt tagsüber auf und initiiert die Transkription der pro und Tim Gene. Aber ihre Proteine ​​bleiben bis zur Abenddämmerung niedrig, da bei Tageslicht auch die aktiviert werden Doubletime (DBT) Gen. DBT -Protein verursacht Phosphorylierung und Umsatz von monomeren pro Proteine.[72][73] Tim wird auch bis Sonnenuntergang durch Shaggy phosphoryliert. Nach Sonnenuntergang verschwindet DBT, so dass sich pro Moleküle stabil an Tim binden. Per/Tim Dimer tritt nachts mehrere in den Kern ein und bindet an CLK/CYC -Dimere. Die gebundene Probe stoppt die Transkriptionsaktivität von CLK und CYC.[74]

Am frühen Morgen aktiviert Licht das Schrei Gene und sein Proteinschrei verursachen den Abbau von Tim. Somit dissoziiert per/tim -Dimer und das Ungebundene pro wird instabil. Per progressive Phosphorylierung und letztendlich Verschlechterung. Das Fehlen von Per und Tim ermöglicht die Aktivierung von clk und Cyc Gene. Somit wird die Uhr zurückgesetzt, um den nächsten zirkadianen Zyklus zu starten.[75]

Pro Tim-Modell

Dieses Proteinmodell wurde Basen auf den Schwingungen der Per- und Tim -Proteine ​​in der entwickelt Drosophila.[76] Es basiert auf seinem Vorgänger, dem pro Modell, in dem erklärt wurde, wie das pro Gen und sein Protein die biologische Uhr beeinflussen.[77] Das Modell umfasst die Bildung eines nuklearen pro-TIM-Komplexes, der die Transkription der Per und TIM-Gene (durch negative Rückkopplung) und die Mehrfachphosphorylierung dieser beiden Proteine ​​beeinflusst. Die zirkadianen Schwingungen dieser beiden Proteine ​​scheinen mit dem Hell-Dark-Zyklus zu synchronisieren, selbst wenn sie nicht unbedingt davon abhängig sind.[78][76] Sowohl Per- als auch TIM-Proteine ​​werden phosphoryliert und nach dem Bildung des pro-TIM-Kernkomplexes kehren sie innerhalb des Kerns zurück, um die Expression der Per- und Tim-mRNA zu stoppen. Diese Hemmung dauert so lange wie das Protein oder die mRNA nicht abgebaut.[76] In diesem Fall setzt der Komplex die Hemmung frei. Hier kann auch erwähnt werden, dass der Abbau des TIM -Proteins durch Licht beschleunigt wird.[78]

Bei Säugetieren

Eine Variation eines Eskinogramm Illustrieren des Einflusses von Licht und Dunkelheit auf zirkadiane Rhythmen und verwandte Rhythmen Physiologie und Verhalten durch die suprachiasmatischen Nucleus in Menschen

Die primäre zirkadiane Uhr in Säugetiere befindet sich in der suprachiasmatischen Nucleus (oder Kerne) (SCN), ein Paar verschiedener Gruppen von Zellen liegt in den Hypothalamus. Die Zerstörung des SCN führt zur vollständigen Abwesenheit eines regelmäßigen Schlaf -Wach -Rhythmus. Der SCN erhält Informationen über Beleuchtung durch die Augen. Das Retina des Auges enthält "klassisch" Photorezeptoren (""Stangen" und "Zapfen"), die für das konventionelle Sehen verwendet werden. Aber die Netzhaut enthält auch spezialisiert Ganglienzellen Das sind direkt photosensitiv und projizieren direkt an die SCN, wo sie bei der Mitnahme (Synchronisation) dieser zirkadianen Uhr bilden. Die an der SCN -Uhr beteiligten Proteine ​​sind homolog für diejenigen, die in der Fruchtfliege gefunden wurden.[79]

Diese Zellen enthalten die Photopigment Melanopsin und ihre Signale folgen einem Weg namens die Retinohypothalamic Tract, führt zum SCN. Wenn Zellen aus dem SCN entfernt und kultiviert werden, behalten sie ihren eigenen Rhythmus in Abwesenheit von externen Hinweisen bei.[80]

Der SCN nimmt die Informationen über die Länge des Tages und der Nacht aus der Netzhaut, interpretiert sie und gibt sie an die weiter Zirbeldrüse, eine winzige Struktur geformt wie a Kieferkegel und befindet sich auf der Epithalamus. Als Reaktion darauf seziiert das Zirbler das Hormon ab Melatonin.[81] Die Sekretion von Melatoningipfeln nachts und ebbs während des Tages und seine Anwesenheit liefert Informationen über Nachtlänge.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass Melatonin -Zirbeldern wieder von der SCN -Rhythmik füttert, um zirkadiane Aktivitätsmuster und andere Prozesse zu modulieren. Die Bedeutung dieses Feedbacks auf Natur- und Systemebene ist jedoch unbekannt.[82]

Die zirkadianen Rhythmen des Menschen können mit etwas kürzeren und längeren Perioden mitgenommen werden als die 24 Stunden der Erde. Forscher von Harvard haben gezeigt, dass menschliche Probanden zumindest in einen 23,5-stündigen Zyklus und einen 24,65-Stunden-Zyklus mitgenommen werden können (letzteres ist der natürliche Solarnachtungszyklus auf dem Planeten Mars).[83]

Menschen

Wenn Augen Licht von der Sonne erhalten, wird die Zirbeldrüsenproduktion von Melatonin gehemmt und die produzierten Hormone halten den menschlichen wach. Wenn die Augen kein Licht erhalten, wird Melatonin in der Zirbeldrüse erzeugt und der Mensch wird müde.

Frühe Untersuchungen zu zirkadianen Rhythmen deuteten darauf hin, dass die meisten Menschen einen Tag näher an 25 Stunden bevorzugten, wenn sie aus externen Reizen wie Tageslicht und Zeitmessung isoliert wurden. Diese Forschung war jedoch fehlerhaft, da sie die Teilnehmer nicht vor künstlichem Licht schützten. Obwohl die Probanden vor Zeitpunkten (wie Uhren) und Tageslicht abgeschirmt waren, waren sich die Forscher der Phasenverzögerungseffekte von elektrischen Leuchten in Innenräumen nicht bewusst.[84][zweifelhaft – diskutieren] Die Probanden durften Licht einschalten, als sie wach waren, und es ausschalten, wenn sie schlafen wollten. Elektrisches Licht verzögerte am Abend ihre zirkadiane Phase.[85] Eine strengere Studie, die 1999 von durchgeführt wurde Harvard Universität schätzte den natürlichen menschlichen Rhythmus auf 24 Stunden und 11 Minuten: viel näher an der Solartag.[86] In Übereinstimmung mit dieser Untersuchung stand eine neuere Studie aus dem Jahr 2010, in der auch Geschlechtsunterschiede mit der zirkadianen Periode für Frauen (24,09 Stunden) (24,19 Stunden) ermittelt wurden.[87] In dieser Studie wachten Frauen eher früher als Männer auf und weisen eine größere Präferenz für morgendliche Aktivitäten auf als Männer, obwohl die zugrunde liegenden biologischen Mechanismen für diese Unterschiede unbekannt sind.[87]

Biologische Marker und Effekte

Die klassischen Phasenmarker für die Messung des Zeitpunkts des zirkadianen Rhythmus eines Säugetiers sind:

Für Temperaturstudien müssen die Probanden wach bleiben, aber ruhig und in der Nähe von Dunkelheit halb eingebaut, während ihre rektalen Temperaturen kontinuierlich eingenommen werden. Obwohl die Variation unter Normalen großartig ist ChronotypenDie durchschnittliche Temperatur des menschlichen Erwachsenen erreicht gegen 5 Stunden vor der gewohnheitsmäßigen Wake -Zeit ihr Minimum gegen 5:00 Uhr. Baehr et al.[90] fanden heraus, dass bei jungen Erwachsenen das Minimum der täglichen Körpertemperatur gegen 04:00 Uhr (4 Uhr morgens) für Morgentypen, aber gegen 06:00 Uhr (6 Uhr morgens) für Abendtypen auftrat. Dieses Minimum trat ungefähr in der Mitte der achtstündigen Schlafperiode für Morgentypen auf, aber näher am Aufwachen bei Abendtypen.

Melatonin fehlt am Tag im System oder tagsüber unsicher. Sein Einsetzen in schwachem Licht, Dim-Light-Melatonin-Beginn (DLMO) kann ungefähr 21:00 Uhr (21 Uhr) im Blut oder im Speichel gemessen werden. Sein Hauptfach Metabolit kann auch im Morgenurin gemessen werden. Sowohl DLMO als auch der Mittelpunkt (zeitlich) des Vorhandenseins des Hormons im Blut oder im Speichel wurden als zirkadiane Marker verwendet. Neuere Untersuchungen zeigen jedoch, dass das Melatonin Offset Kann der zuverlässigere Marker sein. Benloucif et al.[88] fanden heraus, dass Melatonin -Phasenmarker stabiler und stärker mit dem Zeitpunkt des Schlafes korrelierten als das Minimum der Kerntemperatur. Sie fanden heraus, dass sowohl der Schlafversatz als auch der Melatonin -Offset stärker mit Phasenmarkern korrelieren als mit dem Einsetzen des Schlafes. Darüber hinaus ist die sinkende Phase der Melatoninspiegel zuverlässiger und stabiler als die Beendigung der Melatonin -Synthese.

Andere physiologische Veränderungen, die nach einem zirkadianen Rhythmus auftreten Pulsschlag und viele zelluläre Prozesse "einschließlich oxidativen Stress, Zellstoffwechsel, Immun- und Entzündungsreaktionen[91], epigenetisch Änderung, Hypoxie/Hyperoxie Antwortwege, endoplasmatischer retikulärer Stress, Autophagieund Regulierung der Stammzelle Umgebung."[92] In einer Studie an jungen Männern wurde festgestellt, dass die Herzfrequenz im Schlaf ihre niedrigste Durchschnittsrate erreicht und kurz nach dem Aufwachen die höchste Durchschnittsrate.[93]

Im Widerspruch zu früheren Studien wurde festgestellt, dass die Leistung der Körpertemperatur auf psychologische Tests keinen Einfluss auf die Körpertemperatur gibt. Dies ist wahrscheinlich auf den evolutionären Druck auf eine höhere kognitive Funktion im Vergleich zu den anderen in früheren Studien untersuchten Funktionsbereichen zurückzuführen.[94]

Außerhalb der "Master Clock"

In vielen Organen und Zellen im Körper außerhalb der suprachiasmatischen Kerne (SCN), der "Masteruhr", finden sich mehr oder weniger unabhängige zirkadiane Rhythmen. In der Tat erklärten der Neurowissenschaftler Joseph Takahashi und die Kollegen in einem Artikel aus dem Jahr 2013, dass "fast jede Zelle im Körper eine zirkadiane Uhr enthält".[95] Zum Beispiel wurden diese Uhren, die als periphere Oszillatoren bezeichnet werden, in der Nebennierendrüse gefunden. Speiseröhre, Lunge, Leber, Pankreas, Milz, Thymusdrüseund Haut.[96][97][98] Es gibt auch einige Hinweise darauf, dass die Riechlampe[99] und Prostata[100] kann zumindest bei kultiviertem Schwingungen Schwingungen erleben.

Obwohl Oszillatoren in der Haut auf Licht reagieren, wurde kein systemischer Einfluss bewiesen.[101] Darüber hinaus viele Oszillatoren, wie z. LeberzellenEs wurde zum Beispiel gezeigt, dass sie auf andere Eingaben als Licht wie Fütterung reagieren.[102]

Licht und die biologische Uhr

Weitere Informationen: Light effects on circadian rhythm

Licht setzt die biologische Uhr gemäß dem zurück Phasenantwortkurve (PRC). Abhängig vom Zeitpunkt kann Licht den zirkadianen Rhythmus vorantreiben oder verzögern. Sowohl die VR China als auch die erforderlichen Beleuchtung variieren von Arten zu Arten, und niedrigere Lichtwerte sind erforderlich, um die Uhren in die Uhr zurückzusetzen nachtaktiv Nagetiere als beim Menschen.[103]

Längere oder kürzere Zyklen erzwungen

Verschiedene Studien zum Menschen haben durchgesetzte Schlaf-/Weckzyklen verwendet Nathaniel Kleitman 1938 (28 Stunden) und Derk-Jan Dijk und Charles Czeisler in den 1990er Jahren (20 Stunden). Weil Menschen mit normalem (typisch) zirkadiane Uhr kann nicht mit solchen abnormalen Tag/Nacht -Rhythmen einbezogen werden,[104] Dies wird als erzwungenes Desynchronitätsprotokoll bezeichnet. Unter einem solchen Protokoll werden Schlaf- und Wake -Episoden aus der endogenen zirkadianen Periode des Körpers entnommen, wodurch Forscher die Auswirkungen der zirkadianen Phase (d. H. Der relative Zeitpunkt des zirkadianen Zyklus) auf Aspekte von Schlaf und Wachheit einschließlich der Aspekte von Schlaf und Wachheit bewerten können, einschließlich des relativen Zeitpunkts Schlaf Latenz und andere Funktionen - sowohl physiologische, verhaltensbezogene als auch kognitive.[105][106][107][108][109]

Studien zeigen auch das Cyclosa Turbinata Es ist insofern einzigartig, als seine Lokomotor- und Webbuilding-Aktivität dazu führt, dass sie eine außergewöhnlich kurzfristige zirkadiane Uhr etwa 19 Stunden aufweist. Wann C. Turbinata Spinnen werden mit Perioden von 19, 24 oder 29 Stunden gleichmäßig geteiltem Licht und Dunkel in Kammern eingebaut, keiner der Spinnen zeigte eine verminderte Langlebigkeit in ihrer eigenen zirkadianen Uhr. Diese Ergebnisse deuten darauf hin C. Turbinata Haben Sie nicht die gleichen Kosten für extreme Desynchronisation wie andere Tierarten.

Wie Menschen ihren zirkadianen Rhythmus in Bezug auf die Fähigkeit, den richtigen Schlaf zu erreichen, optimieren können

Menschliche Gesundheit

Ein kurzes Nickerchen während des Tages wirkt sich nicht auf zirkadiane Rhythmen aus.

Pionierarbeit im neuen Bereich der zirkadianen Medizin

Die führende Rande der zirkadianen Biologieforschung ist die Übersetzung grundlegender Körpertaktmechanismen in klinische Werkzeuge, und dies ist insbesondere für die Behandlung von Herz -Kreislauf -Erkrankungen relevant.[110][111][112][113] Dies führt zur Entwicklung eines völlig neuen Bereichs der Medizin, der als zirkadiane Medizin bezeichnet wird. Pionierforschung zeigt, dass die zirkadiane Medizin zu einem längeren und gesünderen Leben führen kann. Zum Beispiel: 1) "circadiane Beleuchtung" oder Reduzierung des nachteiligen Lichts in Krankenhäusern kann die Patientenergebnisse nach dem Myokardinfarkt (Herzinfarkt) verbessern.[114] 2) "Circadian Chronotherapy" oder das Zeitpunkt von Medikamenten können bei Patienten mit Herzerkrankungen eine unerwünschte Herzumgestaltung reduzieren.[115] Zeitpunkt der medizinischen Behandlung in Koordination mit der Körperuhr, Chronotherapeutika, können auch Patienten mit Bluthochdruck (Bluthochdruck) zugute kommen, indem sie die Wirksamkeit signifikant erhöht und die Arzneimitteltoxizität oder unerwünschte Reaktionen verringern.[116] 3) "Circadian Pharmacology" oder Medikamente, die auf den zirkadianen Taktmechanismus abzielen, wurden in Nagetiermodellen experimentell gezeigt, um die Schäden aufgrund von Herzinfarkten signifikant zu verringern und Herzinsuffizienz zu verhindern.[117] Für die rationale Übersetzung der vielversprechendsten zirkadianen Medizintherapien in die klinische Praxis ist es unbedingt erforderlich, dass wir verstehen, wie es hilft, Krankheiten bei beiden biologischen Geschlechtern zu behandeln.[118][119][120][121]

Circadian Desynchrony verursacht Herz -Kreislauf -Erkrankungen

Eine der ersten Studien, um zu bestimmen, wie die Störung des zirkadianen Rhythmen kardiovaskuläre Erkrankungen verursacht, wurde bei den Tau -Hamstern durchgeführt, die einen genetischen Defekt in ihrem circadianen Taktmechanismus aufweisen. In einem 24-Stunden-Hell-Dark-Zyklus, der mit ihrem normalen 22 circadianen Mechanismus "außer Synchronisierung" war, entwickelten sie tiefgreifende Herz-Kreislauf- und Nierenerkrankungen; Als die Tau-Tiere jedoch für ihre gesamte Lebensdauer in einem 22-stündigen täglichen Hell-Dark-Zyklus erhöht wurden, hatten sie ein gesundes Herz-Kreislauf-System.[122] Die nachteiligen Auswirkungen der zirkadianen Fehlausrichtung auf die menschliche Physiologie wurden im Labor unter Verwendung eines Fehlausrichtungsprotokolls untersucht.[123][124] und durch Studium der Schichtarbeiter.[110][125][126]

Zirkadiane Desynchronität und andere Gesundheitszustände

Nachfolgende Studien haben gezeigt, dass die Aufrechterhaltung normaler Schlaf- und zirkadianer Rhythmen für viele Aspekte des Gehirns und der Gesundheit wichtig ist.[127] Eine Reihe von Studien hat auch gezeigt, dass a Power NapEine kurze Schlafperiode während des Tages kann Stress verringern und die Produktivität ohne messbare Auswirkung auf normale zirkadiane Rhythmen verbessern.[128][129][130] Zirkadiane Rhythmen spielen auch eine Rolle in der Retikuläres Aktivierungssystem, was entscheidend für die Aufrechterhaltung eines Bewusstseinszustands ist. Eine Umkehrung[Klarstellung erforderlich] Im Schlaf -Wach -Zyklus kann ein Zeichen oder eine Komplikation von sein URMIA,[131] Azotämie oder Akute Nierenverletzung.[132][133] Studien haben auch dazu beigetragen, zu klären, wie Licht a hat direkte Auswirkung über die menschliche Gesundheit durch ihren Einfluss auf die zirkadiane Biologie.[134]

Innenbeleuchtung

Die Beleuchtungsanforderungen für die zirkadiane Regulierung sind nicht einfach die gleichen wie für das Sehen. Die Planung der Innenbeleuchtung in Büros und Institutionen berücksichtigt dies.[135] Tierstudien zu den Auswirkungen von Licht unter Laborbedingungen haben bis vor kurzem die Lichtintensität (Bestrahlung) aber nicht Farbe, die gezeigt werden kann, dass sie "als wesentlicher Regulator des biologischen Timings in natürlicheren Umgebungen" fungiert ".[136]

Fettleibigkeit und Diabetes

Fettleibigkeit und Diabetes sind mit Lebensstil und genetischen Faktoren verbunden. Unter diesen Faktoren könnte eine Störung des zirkadianen Uhrwerks und/oder eine Fehlausrichtung des zirkadianen Timing -Systems mit der externen Umgebung (z. B. Licht -Dark -Zyklus) eine Rolle bei der Entwicklung von Stoffwechselstörungen spielen.[127]

Schichtarbeit oder chronisch Jetlag haben tiefgreifende Konsequenzen für zirkadiane und metabolische Ereignisse im Körper. Tiere, die während ihrer Ruheperiode gezwungen sind, eine erhöhte Körpermasse und eine veränderte Expression von Uhr und metabolischen Genen zu essen.[137] Beim Menschen ist die Schichtarbeit, die unregelmäßige Esszeiten begünstigt, mit einer veränderten Insulinempfindlichkeit und einer höheren Körpermasse verbunden. Schichtarbeit führt auch zu einem erhöhten Stoffwechselrisiko für das kardio-metabolische Syndrom. Hypertonieund Entzündung.[138]

Airline -Piloten und Kabinenbesatzung

Aufgrund der Arbeit von Fluggesellschaften, die an einem Tag oft mehrere Zeitzonen und Regionen von Sonnenlicht und Dunkelheit überqueren und Tag und Nacht viele Stunden wachen, können sie oft Schlafmuster aufrechterhalten, die dem natürlichen menschlichen Zirkadier entsprechen Rhythmus; Diese Situation kann leicht dazu führen Ermüdung. Das NTSB zitiert dies als beiträgt zu vielen Unfällen,[139] und hat mehrere Forschungsstudien durchgeführt, um Methoden zur Bekämpfung von Müdigkeit bei Piloten zu finden.[140]

Störung

Weitere Informationen: Zirkadiane Rhythmus -Schlafstörung

Die Störung der Rhythmen wirkt sich normalerweise negativ aus. Viele Reisende haben den bekannten Zustand erlebt als Jetlag, mit seinen damit verbundenen Symptomen von Ermüdung, Desorientierung und Schlaflosigkeit.[141]

Eine Reihe anderer Störungen, wie z. bipolare Störung und einige Schlafstörungen wie zum Beispiel Verzögerte Schlafphasenstörung (DSPD) sind mit unregelmäßiger oder pathologischer Funktionen von zirkadianen Rhythmen verbunden.[142][143]

Es wird angenommen, dass eine Störung der Rhythmen längerfristig erhebliche nachteilige gesundheitliche Folgen für periphere Organe außerhalb des Gehirns hat, insbesondere bei der Entwicklung oder Verschlechterung von Herz -Kreislauf -Erkrankungen.[127][144] Blaue LED-Beleuchtung unterdrückt die Melatoninproduktion fünfmal mehr als die orange-gelb Hochdruck-Natriumlicht (HPS); a MetallhalogenidlampeDas weiße Licht unterdrückt Melatonin mit einer Geschwindigkeit, die mehr als dreimal höher ist als HPS.[145] Depressionssymptome durch langfristige Nachtlichtbelastung können durch Rückkehr zu einem normalen Zyklus rückgängig gemacht werden.[146]

Wirkung von Drogen

Studien, die sowohl an Tieren als auch an Menschen durchgeführt wurden, zeigen wichtige bidirektionale Beziehungen zwischen dem zirkadianen System und missbräuchlichen Arzneimitteln. Es wird angezeigt, dass diese missbräuchlichen Drogen den zentralen zirkadianen Schrittmacher beeinflussen. Personen mit Substanzstörungen zeigen gestörte Rhythmen. Diese gestörten Rhythmen können das Risiko für Drogenmissbrauch und Rückfall erhöhen. Es ist möglich, dass genetische und/oder Umweltstörungen des normalen Schlaf- und Weckzyklus die Anfälligkeit für Sucht erhöhen können.[147]

Es ist schwierig zu bestimmen, ob eine Störung im zirkadianen Rhythmus für eine Zunahme der Prävalenz für Drogenmissbrauch schuld ist - oder ob andere Umweltfaktoren wie Stress schuld sind. Änderungen am zirkadianen Rhythmus und Schlaf treten auf, sobald eine Person mit Drogen und Alkohol beginnt. Sobald sich eine Person entscheidet, Drogen und Alkohol zu verwenden, wird der zirkadiane Rhythmus weiterhin gestört.[147]

Die Stabilisierung des Schlafes und des zirkadianen Rhythmus könnte möglicherweise dazu beitragen, die Anfälligkeit für Sucht zu verringern und die Rückfallwahrscheinlichkeit zu verringern.[147]

Zirkadiane Rhythmen und Uhrengene, die in Gehirnregionen außerhalb der exprimierten suprachiasmatischen Nucleus kann die Wirkungen, die durch Arzneimittel wie Arzneimittel produziert werden, erheblich beeinflussen Kokain. Darüber hinaus beeinflussen genetische Manipulationen von Uhrengenen die Aktionen von Kokain zutiefst.[148]

Gesellschaft und Kultur

2017, Jeffrey C. Hall, Michael W. Young, und Michael Rosbash wurden ausgezeichnet Nobelpreis für Physiologie oder Medizin "Für ihre Entdeckungen molekularer Mechanismen, die den zirkadianen Rhythmus steuern".[149][150]

Zirkadiane Rhythmen wurden als Beispiel für wissenschaftliches Wissen angenommen, das zusammen mit dem Wikipedia -Artikel für circadiane Uhren in die Öffentlichkeit übertragen wurde.[151] Veränderungen im wissenschaftlichen Verständnis wurden im Laufe der Zeit über diese Artikel dokumentiert, was sich in der Bearbeitungsgeschichte und der Referenzliste widerspiegelte.

Siehe auch

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