Twoja wyszukiwarka

BRONISŁAW CYMBOROWSKI
SMUTEK POCHMURNEGO DNIA
Wiedza i Życie nr 12/1996
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 12/1996

Światło jest nie tylko nośnikiem informacji o kształtach i barwach otaczającego nas świata. Wyznacza ono także rytmy biologiczne wszystkich żywych organizmów.

Od światła do gazu
Mózgowe "oko"

Człowiek współczesny cierpi na brak światła. Coraz więcej czasu spędzamy w zamkniętych pomieszczeniach, w których natężenie światła rzadko osiąga wartość 500 luksów, gdy tymczasem nawet w pochmurny dzień na zewnątrz wynosi 10 000 luksów, a w południe dnia słonecznego dochodzi nawet do 100 000 luksów. Ten stały brak światła prowadzi często do desynchronizacji (rozregulowania) rytmiki funkcji życiowych organizmu. Do podtrzymania prawidłowych rytmów biologicznych konieczna jest bowiem codzienna, co najmniej kilkugodzinna, ekspozycja na światło o natężeniu około 4000 luksów.

Ryc. 1. U kręgowców bodźce świetlne docierają szlakiem siatkówkowo-podwzgórzowym (kolor niebieski) do jądra nadskrzyżowaniowego (kolor czerwony), w którym znajduje się zegar biologiczny, zdolny do pomiaru czasu. Stamtąd dociera do ośrodka regulującego aktywność ruchową (kolor zielony). Za pośrednictwem górnego zwoju szyjnego (kolor pomarańczowy) dociera do szyszynki, która u kręgowców pełni rolę licznika długości dnia i nocy

Ryc. 2. Synteza melatoniny, przedstawiona po lewej stronie, jest procesem biochemicznym zachodzącym w szyszynce kręgowców. Po prawej stronie ukazano zmiany poziomu melatoniny oraz uczestniczącego w jej przemianach enzymu, w porównaniu z rytmem aktywności lokomotorycznej badanych zwierząt

Głębokie, a szczególnie długotrwałe zaburzenia rytmów biologicznych spowodowane brakiem światła mogą prowadzić do poważnych zmian chorobowych. Dobrym tego przykładem są okresowo pojawiające się stany depresyjne po angielsku określane SAD (ang.: Seasonal Affective Disorder), co nie jest zapewne przypadkiem, ponieważ w języku angielskim słowo sad znaczy: smutny, posępny. Główne objawy depresji sezonowej to właśnie smutek, obniżenie aktywności życiowej (ogólna apatia), przedłużony okres snu, wyraźne obniżenie zdolności koncentracji w czasie pracy oraz niechęć do podtrzymywania jakichkolwiek stosunków towarzyskich (ucieczka w samotność). Wyraźne nasilenie tych symptomów obserwuje się dwukrotnie w ciągu roku - późną jesienią (październik - grudzień) oraz wiosną w okolicy marca.

Oprócz zegara biologicznego odmierzającego czas istnieje w organizmie rodzaj licznika, który "rejestruje" liczbę cykli określonego fotoperiodu (okresu ekspozycji na światło). Do wystąpienia reakcji fotoperiodycznej (czyli uwarunkowanej cyklicznymi zmianami okresów światła i ciemności) konieczna jest pewna liczba takich cykli, by mogły zostać "odczytane" jako istotne zmiany zachodzące w środowisku. Lokalizację tego licznika i mechanizm jego działania znamy już dość dobrze u owadów zapadających w diapauzę, czyli w stan odrętwienia umożliwiający przetrwanie trudnego okresu, na przykład zimy.

Fot. 1. Dorosłe plujki rudogłowe, u których w mózgach wykryto pozawzrokowe fotoreceptory. Z prawej samiec, z lewej samica

Otóż, gdy dzień staje się coraz krótszy, w mózgu tych zwierząt (a ściślej - w komórkach neurosekrecyjnych międzymózgowia - pars intercerebralis) zaczyna się gromadzić substancja białkowa (neuropeptyd), którego ilość ściśle odpowiada liczbie upływających dni. Zjawisko to moglibyśmy porównać do przesypywania się piasku w klepsydrze: ilość piasku w dolnym naczyniu może odzwierciedlać liczbę dni - a w tym przypadku liczbę cykli krótkiego fotoperiodu. Po osiągnięciu określonego poziomu neurosekretu mózg decyduje o włączeniu odpowiednich mechanizmów prowadzących do diapauzy, która zawsze wiąże się z zahamowaniem rozwoju i przygotowaniem organizmu do przetrwania niekorzystnych warunków środowiska. (Posługując się w dalszym ciągu przykładem klepsydry, moglibyśmy powiedzieć, że "osiągnięcie odpowiedniego poziomu neurosekretu" to całkowite przesypanie się piasku z górnego naczynia do dolnego).

Jeżeli ma to być okres zimowy, w organizmie owada gromadzą się substancje zapasowe, a przede wszystkim związki zapobiegające zamarzaniu płynów. Zwykle jest to glicerol, który znacznie obniża punkt zamarzania cieczy. Również zwiększenie stężenia różnych soli w organizmie odgrywa podobną rolę.

Fot. 2. Komórki światłoczułe w mózgu muchy mięsnej wykryto dzięki zastosowaniu metody immunocytochemicznej wykorzystującej przeciwciała przeciwko arestynie - jednemu z podstawowych białek uczestniczących w fotorecepcji

U owadów żyjących w gorącym klimacie wraz ze zbliżaniem się pory suchej włączają się natomiast mechanizmy zabezpieczające owada przed wyschnięciem. Polegają one głównie na produkcji specjalnych osłon ciała uniemożliwiających utratę wody. W tym przypadku zwykle wydłużanie, a nie skracanie się fotoperiodu, jest sygnałem prowadzącym do opisanych wcześniej zmian syntezy i gromadzenia się neurosekretu w komórkach mózgu.


Fot. 3 i 4. W puszce głowowej chrząszcza Pachymorpha sexguttata jest miejsce o cienkiej kutykuli, przez którą światło może bezpośrednio wnikać do mózgu tego owada (oczy złożone widoczne są po obu stronach głowy). Na zdjęciu prawym puszka głowowa tego chrząszcza podświetlona od spodu. W miejscu, gdzie kutykula jest cienka, z łatwością przenika światło

Niedostatek światła wynika nie tylko ze skracającego się dnia, ale i obniżania się natężenia promieni słonecznych. W okresie długotrwałego zachmurzenia obserwuje się także pogorszenie stanu psychicznego człowieka. U polarników zimujących na Antarktydzie, a także u Eskimosów, występują pod koniec okresu zimowego wyraźne zaburzenia rytmów snu (cierpi na nie około jednej trzeciej mieszkańców Tromsö na północnych krańcach Norwegii), polegające przede wszystkim na trudnościach w zasypianiu, opóźnianiu pory spoczynku, przedwczesnym budzeniu się itp. Oprócz tego rośnie wtedy liczba zachorowań na choroby psychiczne, a także liczba samobójstw i gwałtów.

C o wiemy na temat mechanizmu oddziaływania światła na organizm? Otóż światło odbierane jest przez fotoreceptory umieszczone w narządach wzroku. Przekazywane przez nie informacje docierają do odpowiednich ośrodków zlokalizowanych w mózgu, gdzie powstaje obraz otaczającego świata. U człowieka są to okolice wzrokowe kory mózgowej płata potylicznego. Za pośrednictwem narządów wzroku światło dociera także do głębszych struktur układu nerwowego, powodując długotrwałe zmiany w jego funkcji (patrz ryc. 1). W przypadku kręgowców informacje świetlne o długości fotoperiodu dochodzą do szyszynki. Szyszynka (tzw. trzecie oko u gadów i starszych grup kręgowców) odgrywa bardzo ważną rolę w regulacji rytmiki różnych procesów fizjologicznych (np. rytmu snu i czuwania u ptaków i ssaków, sezonowego rytmu rozrodu itp.). U człowieka szyszynka, choć jej rola jest nieco mniejsza niż u niższych kręgowców, od najdawniejszych czasów uważana była za narząd o wyjątkowym znaczeniu. Dzisiaj wiemy, że zachodzi w niej rytmiczna synteza melatoniny (patrz ryc. 2), hormonu, który bierze udział w procesie pomiaru czasu w organizmie ( pisaliśmy o melatoninie w "WiŻ" nr 9/1996).

Ryc. 3. Wpływ światła na stężenie melatoniny we krwi człowieka. Każdy punkt jest średnią z danych dotyczących 6 ochotników uczestniczących w eksperymencie. Linia przerywana obrazuje poziom melatoniny po zadziałaniu światła o stężeniu 500 luksów; linia ciągła - poziom melatoniny po zadziałaniu światła o natężeniu 2500 luksów. Pola czarne - okres ciemności cyklu dobowego

W licznych badaniach stwierdzono, że intensywna synteza melatoniny w szyszynce zachodzi w okresie ciemności, jej rozpad zaś w wyniku ekspozycji na światło o określonym natężeniu. W przypadku więc braku światła lub jego niskiego natężenia, w mózgu rośnie poziom melatoniny, co może prowadzić do opisanych na wstępie niekorzystnych zmian powodujących stany depresyjne. Dobry nastrój zależy od wysokiego poziomu przekaźnika nerwowego - serotoniny, która w ciemności zamieniana jest w melatoninę (co przedstawia ryc. 2). Nawet słabe światło, o natężeniu 500 luksów już po 20 minutach powoduje znaczne zahamowanie syntezy melatoniny, co objawia się spadkiem stężenia tego hormonu we krwi; silne światło natomiast, o natężeniu 2500 luksów, powoduje gwałtowny spadek poziomu tego hormonu we krwi (patrz ryc. 3).

Niekorzystnym objawom nadmiaru melatoniny może zapobiec tzw. fototerapia, polegająca na naświetlaniu przez określony czas jaskrawym światłem osobę cierpiącą na niedostatek światła. Zwykła, nawet 200-watowa, żarówka nie wystarcza - potrzebne jest bowiem światło o natężeniu co najmniej 2500 luksów. W Niemczech i w Szwajcarii takie lampy można już kupić w sklepach.

Poważne zaburzenia dobowego rytmu syntezy melatoniny występują również podczas podróży transkontynentalnych przy przekraczaniu stref czasowych. Także w tym przypadku fototerapia może złagodzić lub znieść całkowicie niekorzystne objawy. Adaptację do nowych warunków przyspiesza naświetlanie we wczesnych godzinach porannych światłem o odpowiednim natężeniu.

Ostatnio wiele osób woli zażyć pigułkę melatoniny, co z pewnością jest mniej uciążliwe niż naświetlanie, choć wcale nie wiadomo czy lepsze dla organizmu.

OD ŚWIATŁA DO GENU

Stwierdzono ostatnio, że światło wywiera bezpośredni wpływ na geny komórek nerwowych mózgu. Wśród różnych aktywowanych przez światło genów są, niestety, również onkogeny. W jądrze nadskrzyżowaniowym podwzgórza kręgowców następuje aktywacja tzw. wczesnych genów c-fos i jun już po kilkuminutowym naświetleniu zwierzęcia (np. chomika), uprzednio przebywającego w stałej ciemności. Moje, wstępne jeszcze, badania przeprowadzone we współpracy z dr. Kingiem z Uniwersytetu w Bristolu w Anglii wskazują, że u plujki rudogłowej światło aktywuje gen c-fos w odkrytych wcześniej fotoreceptorach mózgowych tego owada. Konieczne są dalsze badania, by określić mechanizm oddziaływania światła na drodze pozawzrokowej fotorecepcji u różnych grup zwierząt a także człowieka.
Do początku artykułu...

MÓZGOWE "OKO"

Ostatnio pojawia się coraz więcej informacji na temat pozawzrokowych dróg fotorecepcji u różnych organizmów. Od dawna wiedziano, że szyszynka ryb, gadów i ptaków może bezpośrednio reagować na światło. U ptaków prawdopodobnie właśnie w niej znajduje się główny mechanizm zegara biologicznego. Ale także w szyszynce człowieka wykryto ostatnio komórki wrażliwe na światło i bada się teraz intensywnie ich zdolności fotorecepcyjne.

O tym, że mózg owadów może bezpośrednio, bez udziału narządów wzroku, reagować na światło, doniósł profesor A. Lees z Anglii, prowadzący w latach sześćdziesiątych badania na mszycach. Kiedy owadom tym, oślepionym przez zamalowanie im oczu czarną farbą, wprowadzono do puszki głowowej światłowód - reagowały one na stosowany fotoperiod tak samo, jak owady nieoślepione.

W swoich badaniach prowadzonych na musze mięsnej - plujce rudogłowej (Calliphora erythrocephala - obecna nazwa: Calliphora vicina; patrz fot. 1.), stwierdziłem, że przecięcie nerwów wzrokowych lub całkowite usunięcie płatów wzrokowych nie upośledza reakcji tego owada na stosowany w laboratorium fotoperiod. Owady po takich operacjach nie tracą swojego rytmu aktywności lokomotorycznej i ciągle reagują na bodźce świetlne, co objawia się pełną synchronizacją ich aktywności do stosowanego cyklu światło-ciemność. W dalszych badaniach, prowadzonych we współpracy z prof. H. W. Korfem z Uniwersytetu we Frankfurcie udało się stwierdzić istnienie pozawzrokowych fotoreceptorów w mózgu (deep brain photoreceptors) badanych owadów (fot. 2.). Wykrycie tych fotoreceptorów było możliwe dzięki zastosowaniu metod immunocytochemicznych, z użyciem przeciwciał przeciwko arestynie, jednemu z kluczowych białek zaangażowanych w procesach fotorecepcji. Te same przeciwciała wykrywają komórki światłoczułe w mózgu człowieka (badania prof. H. W. Korfa).

W puszce głowowej wielu gatunków owadów widoczne są miejsca, przez które światło może łatwo przenikać w głąb mózgu. Kutykula indyjskiego chrząszcza Pachymorpha sexguttata (fot. 3.) jest bardzo ciemna, co ułatwia odnalezienie cienkich i jaśniejszych miejsc, przez które światło działa bezpośrednio na mózg (fot. 4. - strzałka); po podświetleniu puszki głowowej od środka za pomocą światłowodu w miejscach tych prześwituje światło.
Do początku artykułu...

Zdjęcia autora

Prof. dr hab. BRONISŁAW CYMBOROWSKI jest kierownikiem Zakładu Fizjologii Bezkręgowców na Wydziale Biologii Uniwersytetu Warszawskiego i niestrudzonym popularyzatorem nauk biologicznych.

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
Cud domniemany