PRAKTICKÁ VÝUKA PŘÍRODOVĚDNÝCH PŘEDMĚTŮ NA ZŠ A SŠ CZ.1.07/1.1.30/02.0024 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. BIORYTMY Mgr. Petra Vágnerová
1 ÚVOD Životní pochody všech živých organismů procházejí neustále cyklickými změnami v čase. Tyto změny jsou pozorovatelné na úrovni molekulární, buněčné, tkáňové, orgánové, na úrovni organismu i celých společenstev [1]. Studiem biorytmů se zabývá chronobiologie, věda, která se poznatky o biorytmech snaží zavést také do praxe [1]. Biorytmy probíhající ve 24 hodinovém intervalu nazýváme cirkadiánní, kratší biorytmy jsou infradiánní (srdeční činnost) a delší ultradiánní (týdenní cirkaseptální, měsíční cirkatrigintální) [1]. 2 CIRKADIÁNNÍ BIORYTMY Cirkadiánní rytmy udávají aktivitu organismu v průběhu 24-hodinového cyklu. Základem pro jejich nastavení je střídání dne a noci (světla a tmy), což je důsledek otáčení Země kolem její osy. Střídání světla a tmy ovlivňuje produkci hormonu melatoninu epifýzou (šišinkou). Organismus má také své vnitřní biologické hodiny, které jsou do určité míry nezávislé na vlivech zvenku. Sídlo biologických hodin je pravděpodobně v hypotalamu a jeho činnost je pomocí zrakových vjemů synchronizována se zevním střídáním světla a tmy. [1] 2.1 Projevy cirkadiánních biorytmů Mezi projevy cirkadiánních rytmů nepatří jen střídání bdění a spánku během dne, ale také změny tělesné teploty, krevního tlaku, aktivity, počtu bílých krvinek, sekrece některých hormonů, příjmu potravy, chování a emocí [1]. Obr. 1 Kolísání aktivity člověka během 24 hodin 2
2.2 Řízení cirkadiánních biorytmů Jak již bylo napsáno výše, cirkadiánní biorytmy jsou řízeny jednak zvenku střídáním dne a noci, což prakticky znamená střídání světla a tmy. Zároveň zde velkou roli hrají biologické hodiny, které udržují fungování cirkadiánních biorytmů i v případě, že se organismus ocitne v prostředí, kde ke střídání světla a tmy nedochází. Sídlo biologických hodin je v hypotalamu v tzv. suprachiazmatických jádrech. Střídání světla a tmy a činnost biologických hodin ovlivňují hladinu melatoninu, který způsobuje změny aktivity různých orgánů v těle. Zpětně také působí na biologické hodiny. [2] Biologické hodiny Biologické hodiny jsou vnitřním systémem, který řídí denní rytmy živých organismů. Do určité míry jsou nezávislé na střídání světla a tmy, ale pokud se ocitnou v neperiodickém prostředí, udržují periodu 24 hodin jen přibližně. Střídání světla a tmy potřebují pro svou synchronizaci s vnějším časem [3]. U různých organismů sídlí biologické hodiny v různých strukturách. U ptáků se nacházejí v epifýze (šišince) a u savců v suprachiazmatických jádrech hypotalamu [3]. Mají je ale i ostatní obratlovci a také bezobratlí živočichové, rostliny či plísně [3]. Abychom mohli nějakou buňku či orgán považovat za biologické hodiny, musí splňovat některé podmínky. Základním předpokladem je schopnost vykazovat sebeudržující, přibližně čtyřiadvacetihodinové oscilace např. v elektrické aktivitě, metabolizmu nebo tvorbě různých látek. Biologické hodiny musí fungovat nezávisle na teplotě, především malé teplotní výkyvy na ně nesmí mít vliv. Pokud biologické hodiny v organismu zničíme, přestanou se u něj denní rytmy projevovat. Pokud jsou tomuto organismu implantovány zpět, rytmicita se obnoví. [3] Princip fungování biologických hodin se dosud zkoumá, určitou představu nám ale dávají výzkumy zaměřené na cirkadiánní rytmy ovocné mušky Drosophila. Výzkumy u ovocných mušek prokázaly přítomnost genu, který kóduje tvorbu produktu podmiňujícího opakující se děje o periodě přibližně 24 h. Použitím chemických látek či ozařováním byly připraveny cirkadiánní mutanty mušky, tedy mušky, které měly kratší či delší rytmicitu nebo ji zcela postrádaly. Melatonin Melatonin je hormon, který je produkován žlázou s vnitřní sekrecí epifýzou (šišinkou). Jeho produkce je ovlivňována činností biologických hodin, které jsou ale zároveň ovlivňovány hormonem melatoninem. Koncentrace melatoninu se během dne mění, maximum jeho produkce nastává v noci. [2] Hladina melatoninu určuje, zda má organismus subjektivní den či noc [2]. Zároveň nastavuje a synchronizuje biologické hodiny [2]. Melatonin posiluje cirkadiánní systém, tedy 3
řízení biorytmů, které především ve stáří může být narušeno, protože klesá celková produkce melatoninu [2]. Melatonin také zlepšuje kvalitu spánku [2]. Melatonin informuje o ročním období: délka jeho zvýšené koncentrace v noci se během roku mění, v zimě je delší a v létě je kratší [2]. Z řady výzkumů především na zvířatech vyplývá, že melatonin pravděpodobně ovlivňuje reprodukční schopnost a sexuální chování, podporuje imunitní systém, čistí volné radikály a působí jako antioxidační činitel, působí jako určitá prevence proti rakovině a svým způsobem zpomaluje stárnutí [2]. Obr. 2. Změny hladiny melatoninu v krvi v průběhu 24 hodin 2.3 Funkční stavy centrální nervové soustavy Během 24 hodinového cyklu se v (nejen) lidském organismu střídají dva funkční stavy bdění a spánek, které doprovází změny aktivity centrální nervové soustavy i celé řady orgánových a metabolických funkcí. Rytmus bdění a spánku je řízen zejména retikulární formací mozkového kmene, limbickým systémem a hypotalamem [1]. Bdění Bdění je stav CNS, kdy je organismus vzhůru, vnímá a sleduje své okolí. Dělíme ho na ostražité bdění, aktivní bdění a klidné bdění [1]. Spánek Spánek provází střídání dvou fází: N-REM a REM. N-REM spánek vzniká z relaxované bdělosti přechodem do dřímoty. Postupně dochází k útlumu mozkové kůry a poklesu 4
svalového tonu [1]. Srdeční i dechová frekvence klesají. Jedná se o hluboký spánek, který nedoprovázejí sny. REM spánek je charakterizován rychlými pohyby očí pod zavřenými víčky. Mozek vykazuje výraznou aktivitu, která se blíží stavu bdělosti. Tonus svalů je velmi nízký, ale je možno pozorovat záškuby končetin a trupu [1]. Tuto fázi spánku doprovázejí sny. Jejich role nebyla zatím zcela vysvětlena. Některé sny mohou určitou spojitost s tím, co člověk prožívá v bdělém stavu, ale mohou být také zcela beze smyslu. Obě fáze, N-REM i REM, se během spánku několikrát střídají, každá perioda trvá 90 až 100 minut. Obr. 3 Fáze spánku 3 DALŠÍ BIORYTMY 3.1 Lunární (cirkatrigintální) biorytmy Lunární biorytmy a jimi řízené aktivity jsou ovlivňovány fází Měsíce. Délka periody je přibližně 29,5 dne. Řídí se jimi hmyz, táhnoucí ptáci nebo mořští živočichové. Lunární biorytmy vykazuje také řada mořských bezobratlých a obratlovců, kteří se jimi živí. U žen se lunární biorytmy projevovaly spíše v dřívějších dobách tím, že řídily jejich menstruační a ovulační cyklus (odtud tedy název pro menstruaci měsíčky ). Dnes jsou vlivem menšího sepětí člověka s přírodou tyto vlivy mnohem méně patrné. 3.2 Roční (cirkanuální) biorytmy Roční biorytmy trvají 365 dní. U živočichů se projevují například výměnou srsti a peří, nástupem období rozmnožování, stěhováním do zimovišť či míst hnízdění. Řízeny jsou nejen 5
měnící se délkou světelného dne a noci během roku, ale také vnitřními pochody v organismu. 4 ZÁVĚR Závěrem lze říci, že biorytmy jsou neoddělitelnou součástí života všech živých organismů na Zemi. Jejich motorem jsou biologické hodiny, které mají živé organismy v sobě, ale jejich chod ovlivňuje celá řada vnějších vlivů. Nejzřetelněji jsou tyto vlivy patrné u 24- hodinových rytmů, které jsou zpřesňovány střídáním dne a noci. Délky biorytmů odpovídají následují cím dějům: 24 hodin Země se otočí kolem své osy, 28 dní za tuto dobu oběhne Měsíc kolem Země, 365 dní Země oběhne kolem Slunce. Na biorytmech tedy jasně vidíme, že živé organismy nejsou jen součástí přírody za Zemi, ale zároveň jsou součástí Vesmíru. LITERATURA 1. Šmarda J..: Biologie pro psychology a pedagogy, str. 404-406 (2004). 2. Illnerová H.: Melatonin a jeho působení. Vesmír 75, str. 266 (1996). 3. Illnerová H: Blížíme se k poznání podstaty biologických hodin? Vesmír 73, str. 425. (1994) 4. Jiskra, J.: Johann David Edler von Starck. Krajské muzeum Sokolov, Sokolov 2005. 5. Mezinárodní konference didaktiků chemie, http://www.zcu.cz/fpe/kch/konference/, staženo 23. 2. 2011. Kontakt: Mgr. Petra Vágnerová Centrum biologie, geověd a envigogiky Chodské náměstí 1, 30614, Plzeň Telefon: +420377636241 E-mail: vagnerov@cbg.zcu.cz 6