Orologio biologico: come fa il nostro corpo a sapere che il tempo passa?

Come possono gli esseri umani isolati tenere traccia del tempo regolarmente, anche quando sono disconnessi dall’ambiente circostante? Semplicemente, perché i ritmi biologici sono al centro della vita, regolandola dal livello molecolare fino a quello dell’intero corpo. Questi includono non solo i nostri cicli sonno/veglia, ma anche la temperatura corporea, gli ormoni, il metabolismo e il sistema cardiovascolare, per citarne solo alcuni.

E questi ritmi hanno molte ripercussioni, non da ultimo in termini di salute pubblica. Infatti, un certo numero di malattie sono episodiche: per esempio, l’asma è più grave di notte, mentre gli incidenti cardiovascolari sono più frequenti al mattino. Un altro esempio è il lavoro a turni, che disconnette le persone dal loro ambiente. Può essere associato a un rischio aumentato di tumori nei lavoratori, spingendo l’OMS a etichettarlo come probabile cancerogeno.

I ritmi influenzano anche il modo in cui interagiamo con altre specie. Ad esempio, la tripanosomiasi africana, detta anche malattia del sonno, è un disturbo del nostro ritmo quotidiano causato dal parassita Trypanosoma brucei, il cui metabolismo è anch’esso quotidiano, proprio come la nostra immunità.

I geni: i grandi orologiai

Le rotazioni della Terra, della Luna e del Sole generano cicli ambientali che hanno favorito la selezione degli orologi biologici.

Un orologio biologico è un meccanismo interno agli organismi che, in assenza di un segnale ambientale, opera alla propria frequenza. L’alternanza regolare di giorno e notte ha, ad esempio, favorito l’evoluzione dell’orologio circadiano (circa, che significa “approssimativamente”, e diem , “giorno”).

Il meccanismo dell’orologio circadiano è stato scoperto per la prima volta nel moscerino della frutta, noto anche come Drosophila, negli anni ’70. Si basa su cicli di feedback nella trascrizione e traduzione di diversi geni: il gene A promuove l’espressione del gene B, che a sua volta inibisce l’espressione del gene A, creando un’oscillazione. Durante il giorno, la luce induce la diminuzione di fattori specifici del ciclo tramite un fotorecettore chiamato criptocromo. È interessante notare che i fattori chiave nel meccanismo comprendono essenzialmente solo pochi geni denominati period, timeless, clock e cycle. Tuttavia, la messa a punto e la regolazione dell’orologio si basano su una complessa rete molecolare e neuronale che ne garantisce la tempistica e la precisione.

Non esiste un singolo orologio circadiano sovraordinato che organizzi tutta la vita, poiché i geni dell’orologio variano da specie a specie. Ma il principio rimane lo stesso: geni la cui espressione oscilla. I ritmi biologici sono stati descritti in tutti i taxa (gruppi di organismi) studiati finora, che comprendono cianobatteri (un tipo di batteri che ottengono energia tramite fotosintesi), funghi, piante e animali, compresi gli esseri umani.

Inoltre, diversi fattori che danno il tempo ( zeitgeber ) sincronizzano l’organismo con l’ambiente: in particolare la luce (il più studiato finora), la temperatura e il cibo.

Un orologio interno sincronizzato dall’ambiente

Un’implicazione molto concreta di questo orologio circadiano riguarda il jet lag. Si tratta della deviazione del ritmo interno di un individuo dall’orario del fuso orario in cui si trova.

I segnali ambientali in generale, e la luce in particolare, aiutano a risincronizzare l’individuo: la luce percepita alla fine della notte sposta l’orologio in avanti, mentre la luce percepita all’inizio della notte lo ritarda. La luce percepita durante il giorno non ha alcun effetto. Negli esseri umani, la luce non viene percepita direttamente dall’orologio molecolare, ma viene catturata nella retina e poi trasmessa tramite la via retino-ipotalamica a un orologio centrale, dove modula la sintesi delle proteine ​​dell’orologio. Il sistema non è tuttavia infinitamente scalabile: il corpo umano impiega circa un giorno per adattarsi a una differenza di fuso orario di un’ora.

Con il periodo circadiano intrinseco dell’Homo sapiens che si estende in media per 24,2 ore, è più facile per noi viaggiare verso ovest e allungare le nostre giornate che viaggiare verso est e accorciarle. Questo è anche il motivo per cui atleti e ricercatori che si isolano nelle profondità della Terra finiscono per essere fuori sincrono con il tempo in superficie e alla fine percepiscono meno giorni rispetto ai giorni solari di 24 ore.

Altri tempi, altri orologi

L’orologio circadiano non è l’unico meccanismo di orologio che esiste in natura. Molti processi biologici sono stagionali, come la migrazione di una moltitudine di uccelli e insetti, la riproduzione e il letargo di molte specie animali e la fioritura delle piante. Questa stagionalità è generalmente dettata da diversi fattori, tra cui quello che è noto come orologio circanennale nel caso di molte specie. Il meccanismo di questo orologio non è stato ancora determinato.

Anche i meccanismi dell’orologio nelle specie marine sono sconosciuti, in parte a causa della complessa struttura temporale degli oceani. Gli organismi marini sono esposti al ciclo solare di giorno e notte alternati, che si sovrappone a una serie di cicli lunari, il più importante dei quali è il ciclo delle maree (con un periodo di 12,4 ore o 24,8 ore). I cicli semilunari e lunari (14,8 giorni/29,5 giorni), collegati alle fasi lunari, modulano anche fortemente l’ambiente marino, tramite luce e maree. Anche le stagioni influenzano questi ecosistemi.

Sebbene complessa, la struttura temporale degli ambienti marini è prevedibile e ritmi biologici collegati a tutti questi cicli sono stati descritti in specie marine. Ad esempio, molti coralli sincronizzano la loro riproduzione, deponendo le uova una volta all’anno in un periodo di tempo molto breve. Alcuni vermi marini sciamano esattamente una volta al mese, nelle ore più buie della notte, per iniziare la loro danza riproduttiva prima di deporre le uova e morire.

È interessante notare che nel 2020 un team di scienziati ha rivelato che i ritmi biologici non sono limitati all’ambiente costiero. Hanno infatti mostrato ritmi nel comportamento e nell’espressione genica a una profondità di 1.700 metr, in una cozza che vive nelle sorgenti idrotermali della dorsale medio-atlantica. Il lavoro sottolinea che il coordinamento temporale nella fisiologia è probabilmente critico, anche negli ambienti di vita più estremi come l’oceano profondo.