Když orchestr neladí

Cirkadiánní rytmus je vlastní téměř všem živým organismům včetně lidí. Řídí jej vnitřní biologické hodiny, které zajišťují rytmický průběh řady tělesných funkcí a pomáhají synchronizovat naše tělesné pochody s cykly střídání světla a tmy. Moderní život však harmonické souhře našich vnitřních hodin s denní dobou příliš nepřeje. „Výsledkem chronického nesouladu pak může být vyšší náchylnost k metabolickým i duševním chorobám, dokonce i některým nádorovým onemocněním,“ varuje chronobioložka Alena Sumová.

Jaké jsou hlavní objevy chronobiologie, nauky o čase v živých organismech? — Chronobiologie jako samostatný vědní obor vznikla až kolem roku 1960, kdy odborná obec definitivně přijala, že denní rytmy jsou endogenní, to znamená, že jsou řízeny vnitřními hodinami. Tyto hodiny mohou pracovat zcela nezávisle na vnějších podmínkách, kdy řídí rytmy opakující se přibližně jednou za den, takzvané cirkadiánní (z latinského circa-diem) rytmy. V přirozených podmínkách svůj chod synchronizují s 24hodinovým dnem. Nejprve byla identifikována struktura v mozku, kde tyto hodiny sídlí, a teprve pozdější výzkum ukázal, že schopnost vytvářet cirkadiánní rytmus mají i ostatní buňky v těle. Tyto tzv. periferní hodiny řídí pouze lokální procesy v orgánech a tkáních, kde sídlí, a seřizují se podle signálů z centrálních hodin. Celý systém musí pracovat tak, aby panoval soulad všech rytmicky se měnících funkcí v těle navzájem a také s vnějšími solárními cykly. Schopnost synchronizace hodin s vnějším prostředím je jejich zásadní vlastností, a proto dalším významným mezníkem bylo zjištění, že světlo dává informaci našim centrálním hodinám prostřednictvím specializovaných buněk v oku. Zcela zásadním objevem pak bylo odhalení molekulárního mechanismu, který v buňkách rytmický signál vytváří. Za tento objev byla v roce 2017 udělena Nobelova cena (viz Vesmír 97, 364, 2018/6).

Prof. PharmDr. Alena Sumová, DSc., působí jako vedoucí oddělení biologických rytmů ve Fyziologickém ústavu AV ČR, přednáší na Přírodovědecké fakultě UK v Praze a JČU v Českých Budějovicích. Zastává funkci vědeckého sekretáře v Evropské společnosti biologických rytmů a je členkou výboru americké Společnosti pro výzkum biologických rytmů. Často je zvána přednášet na mezinárodních konferencích. Je nositelkou řady vědeckých ocenění, časopis Forbes ji vybral mezi top vědkyně Česka za rok 2025. Zabývá se neurofyziologií, neurohumorální regulací (tj. vzájemnou komunikací mezi buňkami živého organismu) a chronobiologií (tj. cyklickými ději v živých organismech).

Jana Plavec, Akademie věd ČR

Když se teď ví, jak ty hodiny fungují a kde všude je máme, čemu se váš obor věnuje dál? — V současnosti se výzkum nese hlavně v rovině zkoumání jejich molekulární a genetické podstaty a mechanismů, jakými jsou hodiny propojeny s buněčnými procesy. Ukazuje se totiž, že řídí velké množství životně důležitých procesů a detailní zkoumání těchto mechanismů nám pomáhá pochopit důsledky jejich narušení na zdravý průběh fyziologických funkcí.

Jak do vzniku vnitřních biologických hodin promluvila evoluce? — Život na Zemi vznikl v proměnných podmínkách, a proto už u prvních forem života bylo výhodné načasovat biologické procesy tak, aby se přizpůsobily vnějším změnám. Cyklus střídání dne a noci, přítomný od začátku evoluce, byl velice silným signálem pro to, aby některé procesy začaly probíhat v noci, jiné ve dne. Existují teorie, že na počátku života nebyla v atmosféře ještě dostatečně silná ozonová vrstva a sluneční světlo mohlo mít ionizující efekt, který poškozoval DNA organismů. Ukázalo se být výhodné načasovat citlivou fázi buněčného cyklu na tmavou část dne, a to vedlo ke vzniku takzvaných „protohodin“, z nichž se vyvinuly vnitřní biologické hodiny, které mají prakticky všechny živé organismy, od těch nejjednodušších jednobuněčných až po člověka. A pokud je některé organismy nemají, tak je během evoluce ztratily jako výsledek adaptace na život v takových podmínkách, které se nemění během 24 hodin. To je příklad organismů žijících v hlubokomořských, podzemních či polárních oblastech.

Proč tedy vnitřní hodiny máme a potřebujeme? — Člověk má biologické hodiny proto, aby mu pomáhaly přizpůsobit svůj denní režim změnám během solárního dne. Pokud hodiny necháme pracovat tak, jak jsou geneticky nastavené, samovolně se přizpůsobují cyklu střídání dne a noci a podle toho v našem těle řídí nejrůznější procesy, aby probíhaly optimálně. Když máme hodiny správně seřízené, tak se ráno probudíme, třeba ještě před budíkem, odpočatí, dobře vyspaní. Naše vnitřní hodiny totiž už na konci noci začnou připravovat organismus na stav bdělosti, spustí uvolňování důležitých hormonů a utlumí procesy typické pro spánek. Je to celá plejáda paralelních procesů, abychom byli ve správnou dobu aktivní a plně funkční a hodiny tomu přizpůsobují vše v těle, činnost mozku, srdce, střev, jater, slinivky, všechny procesy soukolí hodin sladí a zkoordinují. Pokud svým hodinám nenasloucháme a jejich práci narušujeme, ráno se vzbudíme s drnčením budíku, neodpočatí, nevyspalí, malátní a trvá nám déle, než jsme schopni fungovat.

Mohla byste vysvětlit pojem hodinové geny? — Je to soubor genů nezbytných pro to, aby buňka byla schopná vytvářet rytmický signál. Pracují a jsou regulovány na principu autonomní zpětnovazebné smyčky: po aktivaci hodinových genů v buněčném jádře následuje tvorba odpovídajících proteinů v cytoplazmě a ty se zpětně dostávají do buněčného jádra, kde aktivují nebo inhibují své vlastní nebo jiné hodinové geny. Těch smyček je tam více, jsou vzájemně propojené a opakují se pořád dokola s rychlostí, která určuje vnitřní periodu neboli rychlost běhu hodin. Časový signál v buňce tedy vzniká díky souhře genů, které nám nastavují procesy v těle tak, aby se nejen měnily s denním rytmem, ale aby byly připravené ve správné fázi dne. A hodinové jim říkáme proto, že když je některý z nich vyřazen z funkce nebo nějakým způsobem mutován, má to dopad na chod vnitřních hodin. V závislosti na úloze toho genu v rámci smyčky to pak může hodiny úplně zastavit, nebo významně zrychlit či zpomalit.

A toto se děje v každé buňce v našem těle. — Nicméně pořád máme jedny prominentní, centrální hodiny, které sídlí v hypotalamu mozku, v tzv. suprachiasmatických jádrech. Jsou to párová jádra a každé z nich je tvořeno sítí neuronů a glií. Díky těm spojům je tato struktura schopná vytvářet robustní rytmický signál, který řídí systémové rytmy v celém těle. Určuje dobu, kdy jsme připraveni k usnutí, spouští produkci některých hormonů, reguluje tělesnou teplotu, krevní tlak a podobně. Jsou to jediné hodiny, které dostávají přímou informaci o tom, jestli je venku světlo, nebo tma, protože mají přímý spoj s okem, kde se nacházejí speciální fotoreceptory. Nepotřebujeme je pro to, abychom viděli, ale výhradně, aby naše centrální hodiny dostaly informaci, jestli je světlo nebo tma. Takže u lidí, kteří mají kompletní ztrátu světlocitu, jejich vnitřní hodiny stále vytvářejí rytmický signál, ale nejsou schopny se seřídit podle denní doby.

Co to pro ně znamená? — U zdravého člověka se hodiny stále seřizují podle střídání dne a noci, světla a tmy a každý den tomu přizpůsobují svoji periodu a fázi. Vnitřní hodiny nevidomých, kteří nevnímají světlo, se ale nemohou seřídit podle denní doby a takzvaně volně běží v čase. Pak se snadno stane, že se rozejdou se sociálním časem a ukazují v jejich těle subjektivní noc, i když je venku světlo a ti lidé musí být v práci. Je velká snaha nevidomým pomoci. Takzvaná socializace, tedy že si nastaví budíka, vstanou, jdou jako ostatní do práce, jsou v kolektivu a zase jdou podle hodin večer spát, ale není pro centrální hodiny člověka dostatečný signál. Hledají se proto jiné metody, jak jim vnitřní hodiny seřídit. Z terapeutických přístupů má asi největší efekt podávání melatoninu, který se váže na receptory v centrálních hodinách. Pokud se podává v určité době před očekávaným nástupem subjektivní noci a každý den ve stejnou dobu, může nevidomým podle některých studií pomoci, protože dává vnitřním hodinám informaci nesvětelnou cestou. Také byly testovány další podněty, např. zvýšená aktivita, které by daly vnitřním hodinám signál, že je den, ale jejich efekt se ukazuje jako nedostatečný.