Orientace v čase

Knížka Jana Koláře Biologické hodiny rostlin má v podtitulu větu, která je spíše otázkou: Jak se rostliny orientují v čase během dne či roku? Čtenář bere do rukou tuto útlou knížku se zvědavostí a vzrušením: skutečně již na tuto otázku umíme odpovědět? Při čtení záhy pochopí, že odpověď známe jen zčásti, získá však představu o onom obrovském úsilí člověka vyřešit tuto záhadu a dozví se, jak na tuto otázku můžeme odpovědět s využitím dnešních znalostí. Čtenář má možnost sdílet s autorem jeho fascinaci pokrokem ve vědeckém bádání nesoucím se celou existencí člověka, od prvotních pozorování přes jednoduché pokusy až po využívání vysoce sofistikovaných metod založených na poznatcích molekulární biologie. Jak autor správně podotýká, vědecké poznání se díky každodenním drobným či zásadnějším objevům vědců na celém světě řítí nezadržitelně vpřed. Je to nekončící proces skládání jednotlivých dílků a dílů mozaiky, o které nevíme, zda bude vůbec někdy dokonale složena. To bezesporu platí i o oboru zabývajícím se biologickými hodinami, tj. o chronobiologii. A tak může být jakákoliv knížka na toto téma pouze svědectvím stavu poznání v okamžiku, kdy byla napsána. Ačkoliv je kniha věnována biologickým hodinám rostlin, autor často používá příměry i z živočišné říše, čímž je zvědavost čtenáře ještě umocňována.

O existenci vnitřních biologických hodin u živých organizmů jsme se dověděli z historického pohledu teprve nedávno, přestože se tyto hodiny vyvinuly zřejmě již na samém počátku evoluce, kdy Zemi ještě obývaly primitivní formy života. Již tenkrát, stejně jako dnes, byly totiž živé organizmy vystaveny významné a jasně definované, rytmicky se opakující změně prostředí, ve kterém se vyvíjely, tj. cyklu střídání dne a noci. Ukázalo se, že i pro velmi jednoduché organizmy, jako jsou např. viry, bakterie či sinice, je velkou evoluční výhodou být na pravidelně se opakující změny připraven – a cirkadiánní hodiny (tj. hodiny odměřující přibližně 24 hodin) byly rázem na světě! O tom, jak se tyto hodiny zrodily, existují různé hypotézy. Předpokladem pro jejich vznik mohl být například mutagenní vliv slunečního UV záření na molekuly DNA. Aby viry a bakterie ochránily svou DNA před poškozením, vyvinuly mechanizmus umožňující načasovat replikaci své DNA na vhodnou denní dobu, kdy je vliv UV záření nejmenší. Potlačení replikace virové DNA v odpovědi na přítomnost UV záření by tak mohlo být prazákladním prvkem spouštějícím evoluci cirkadiánního řízení replikace DNA, a tím i jakýmsi pradávným prototypem biologických hodin. Nepřekvapí nás tedy, že si podobné hodiny uchovaly patrně všechny formy úspěšně se vyvíjejících organizmů, které byly změnám denního osvětlení vystavovány, tedy rostliny i živočichové. Tyto hodiny jim pomáhají vytvořit strategii výhodnou pro přežití. Například jedním z hlavních faktorů, který významně přispěl k evoluci savců, byla bezesporu jejich schopnost být aktivní během noci, tedy v době, kdy jejich přirození nepřátelé spali.

Člověk, stojící na vrcholu evoluce, je společně s ostatními savci příkladem, jak s rostoucí potřebou řízení stále komplexnějších funkcí bylo zapotřebí vyvinout systém, který by zaručil správné načasování všech fyziologických funkcí. Z knížky se dovídáme, že u nižších organizmů, např. u rostlin, jsou cirkadiánní hodiny uloženy uvnitř každé buňky. Je až překvapivé, jak dlouho jsme se domnívali, že u savců tuto roli zastává pouze vysoce specializovaná skupina buněk v mozku. Dva shluky neuronů, které leží v hypotalamu přímo nad překřížením optických nervů vedoucích ze sítnice oka, tzv. suprachiazmatická jádra, totiž přímo řídí rytmické projevy, které můžeme u savců snadno pozorovat. Jsou odpovědná například za to, že usínáme ve správnou denní, lépe řečeno noční dobu. Ovšem za předpokladu, že nemáme spánkový dluh, a že tedy v regulaci našeho spánku nepřeváží homeostatická regulace nad regulací cirkadiánní. Teprve poměrně nedávno se však ukázalo, v jaké nevědomosti jsme dlouhá léta žili. Stejně jako u nižších organizmů je i u savců hodinový mechanizmus zakonzervován téměř v každé buňce těla. Tým profesora Ueliho Schillera ze Švýcarska spolu s dalšími laboratořemi totiž před deseti lety prokázal, že geny odpovědné za vznik rytmického signálu, hodinové geny, nejsou přítomny pouze v buňkách suprachiazmatických jader, ale také například v lymfocytech nebo v buňkách různých tkání těla. Je to skutečně takové překvapení? Vždyť z pohledu evoluce života vzniklého v jedné jediné buňce a vyvíjejícího se v postupně složitější organizmy se to zdá téměř samozřejmé. Dokud jsme však neznali základní součástky hodinového strojku, tj. dokud nebyly identifikovány hodinové geny savců, nemohl být takový objev učiněn. To však nic nemění v našem pohledu na význam cirkadiánních hodin v suprachiazmatických jádrech. Jako jediné ze všech hodin v těle savců mají možnost být seřízeny vnějším osvětlením díky svému spojení s okem. Navíc je to jen malá část neuronů, která je v těchto hodinách schopna přímo odpovídat na změny vnějšího osvětlení, zbytek neuronů se stejně jako ostatní hodiny v těle o těchto změnách dovídá pouze zprostředkovaně. Hodiny v mozku savců je proto třeba vnímat jako centrální hodiny, které seřizují všechny ostatní (periferní hodiny), tak aby běžely ve správné fázi s vnějším dnem. Zajišťují, aby byly ve správnou denní dobu spuštěny potřebné mechanizmy, a navíc aby byl zajištěn správný sled jednotlivých procesů měnících se v čase podle toho, jak jsou řízeny periferními hodinami v jednotlivých tkáních těla. Představme si je jako dirigenta řídícího obrovský orchestr tak, aby výsledkem byla krásná symfonie. Pokud orchestr zůstane bez dirigenta, výsledkem je kakofonie. Podobně pokud jsou suprachiazmatická jádra vyřazena z funkce, organizmus ztrácí časový řád a stává se nerytmickým.

Víme, že náš cirkadiánní systém je odpovědný za správné načasování regulačních mechanizmů a díky němu máme v těle již v době našeho ranního probuzení zajištěny optimální podmínky pro zvládnutí příštího dne. To ovšem pouze za předpokladu, že jsou naše cirkadiánní hodiny správně seřízeny s vnějším prostředím. Pokud se budeme vystavovat světlu v době, kdy je venku tma, například při dlouhém ponocování, při práci na směny apod., zmateme hodiny natolik, že se budou snažit těmto světelným podmínkám přizpůsobit a změní nastavení svého času podobně, jako kdybychom pootočili ručičky náramkových hodinek o několik hodin dopředu nebo dozadu. Mají-li cirkadiánní hodiny plnit správně svou roli, nesmíme je svým chováním mást.

Zajímavé byly výsledky experimentů, které prováděl chronobiolog Jürgen Aschoff. Účastníci jeho pokusů se nechali na delší dobu zavřít do speciálně upravených podzemních bunkrů, kde neměli ponětí o vnějším čase. Přesto popisovali pocity velké spokojenosti, ba přímo štěstí. Jejich cirkadiánní hodiny totiž tikaly nerušeně svým tempem a zajišťovaly perfektní soulad všech fyziologických funkcí. Nechme tedy, stejně jako to dělají rostliny nebo ostatní živočichové, nerušeně tikat své hodiny, ať jsou seřizovány pokud možno jen každodenním úsvitem!