В хронобиологии фотоувлечение относится к процессу, посредством которого биологические часы организма, или циркадный ритм , синхронизируются с ежедневными циклами света и темноты в окружающей среде. Механизмы фотоувлечения различаются от организма к организму. [1] Фотоувлечение играет важную роль в поддержании правильного времени физиологических процессов и координации поведения в естественной среде. [2] [3] Изучение различных механизмов фотоувлечения организмов проливает свет на то, как организмы могут адаптироваться к антропогенным изменениям в окружающей среде. [4] [5]
24-часовые физиологические ритмы, известные сейчас как циркадные ритмы, были впервые задокументированы в 1729 году Жаном Жаком д'Орту де Мейраном , французским астрономом, который заметил, что растения мимозы ( Mimosa pudica ) ориентируются по направлению к солнцу, несмотря на то, что находятся в темной комнате. [6] Это наблюдение породило область хронобиологии, которая стремится понять механизмы, лежащие в основе эндогенно выраженных суточных ритмов у организмов от цианобактерий до млекопитающих , что включает в себя понимание и моделирование процесса фотоувлечения.
Два выдающихся хронобиолога 20-го века, Юрген Ашофф и Колин Питтендриг , оба работали в течение 1960-х годов над моделированием процесса фотосинхронизации, и, несмотря на изучение одного и того же предмета, они пришли к разным выводам. Ашофф предложил параметрическую модель синхронизации, которая предполагала, что организмы подстраиваются под внешние сигналы синхронизации (часто называемые zeitgebers , или «датировщицами времени» на немецком языке) постепенно, изменяя свой внутренний «циркадный» период на больший или меньший 24 часов, пока он не станет соответствовать времени zeitgeber. [7] Напротив, Питтендриг предложил непараметрическую модель синхронизации, которая предполагала, что организмы мгновенно подстраивают свои внутренние часы, когда сталкиваются со световым сигналом, или zeitgeber, который не синхронизирован с тем, когда их внутреннее циркадное время ожидает увидеть свет. [7]
Питтендриг разработал свою модель на основе кривой фазового отклика , которая визуализирует эффект коротких световых импульсов на организмы, которые были свободны (не увлекаемы задатчиком ритма). Питтендриг определил, что реакция организма на свет зависит от того, когда был представлен сигнал. Было установлено, что воздействие света в раннюю субъективную ночь организма (ранняя часть «нормального» темного периода организма) вызывало задержку начала активности на следующий день (задержка фазы). Кроме того, воздействие света в позднюю субъективную ночь приводило к опережающей активности на следующий день (опережение фазы). [8] Фазовые изменения, испытываемые организмом, можно представить кривой фазового отклика, состоящей из частей, включающих зону опережения, зону задержки и мертвую зону. Эта модель получила широкое распространение по сравнению с параметрической моделью Ашоффа, но до сих пор неясно, какая модель наиболее эффективно объясняет процесс фотоувлечения. [7]
Было обнаружено, что интенсивность света в условиях постоянного освещения также модулирует реакцию организма. Было обнаружено, что воздействие света более высокой интенсивности либо продлевает, либо сокращает период организма в зависимости от вида, что получило название правила Ашоффа . [8]
Молекулярный механизм фотоувлечения в многоклеточных организмах, таких как грибы и животные, был связан с обратной связью транскрипции-трансляции (TTFL) , где транслируемые белковые продукты влияют на транскрипцию генов. [9] TTFL состоит из положительного и отрицательного плеча, где белки положительного плеча способствуют транскрипции генов отрицательного плеча, в то время как белки отрицательного плеча подавляют активность положительного плеча. Было обнаружено, что TTFL является автономным и имеет период примерно 24 часа. [9] Компоненты положительного и отрицательного плеча различаются в зависимости от организма, но у млекопитающих компоненты положительного плеча включают CLOCK и BMAL1, тогда как компоненты отрицательного плеча включают PER1 , PER2 , CRY1 и CRY2 . [9] В случае многих млекопитающих световые сигналы, обнаруженные фоторецепторами в глазу, посылают сигналы в главные часы млекопитающих, расположенные в супрахиазматическом ядре (SCN) , которые затем влияют на синхронизацию различных положительных и отрицательных плеч. [10] Это приводит к изменениям в экспрессии различных часовых белков, что позволяет организму подвергаться фотоувлечениям. [9]
В одноклеточных организмах циркадные ритмы, как полагают, генерируются без использования TTFL, а с помощью комплекса из 3 белков, называемого KaiABC Complex . Известно, что механизм вовлечения в этой системе контролируется различными белками. [11]
Вовлечение в экологические циклы является чертой с преимуществами и, таким образом, встречается почти у всех организмов. Многие экологические отношения, такие как взаимодействие хищников и жертв, поведение опылителей, время миграции, требуют синхронизации биологических часов организма с 24-часовым ритмом планеты. [12] Особи, которые не вовлекаются или, другими словами, не синхронизированы с циклом дня и ночи, могут упускать возможности кормления, спаривания и т. д., что может повлиять на их шансы на выживание. Известные модели как циркадных часов, так и механизма вовлечения различаются у разных организмов в разных доменах и царствах, и поведенческое значение вовлечения также различается.
Млекопитающие, чтобы выжить, должны просыпаться в определенное время, чтобы обеспечить себе еду и не стать добычей. У млекопитающих внешний цикл света и темноты вовлекает главные часы, которые затем синхронизируют различные циркадные осцилляторы по всему телу, известные как периферические часы. [8] Фотопигмент меланопсин присутствует в определенных ганглиозных клетках сетчатки, называемых внутренне светочувствительными ганглиозными клетками сетчатки (ipRGCs) , которые посылают сигналы в супрахиазматическое ядро (SCN) , главные часы млекопитающих, которые контролируют циркадные ритмы по всему телу. [10] В дополнение к меланопсину, исследования с использованием мышей с нокаутированным меланопсином определили, что палочки и колбочки также могут играть роль в световых реакциях SCN. [10] Энуклеация (удаление глаза) у млекопитающих привела к появлению свободно текущих ритмов, указывающих на необходимость глаза для фотоэнтрибуции. [13]
Фотоавтотрофные цианобактерии зависят от солнечного света для получения энергии, поэтому неспособность предвидеть наступление ночи поставит под угрозу их способность выживать и размножаться. Им нужны достаточные запасы гликогена, чтобы продержаться всю ночь. [14] Фотоувлечение также позволяет цианобактериям правильно реагировать на свет, чтобы подготовить свой фотосинтетический аппарат к рассвету, когда преобладает синий свет. Соответствующая синхронизация со светом также облегчает временное разделение между кислородочувствительной фиксацией азота и фотосинтезом, генерирующим кислород, чтобы последний не подавлял первый. [15]
Цианобактерии могут подстраиваться под световые импульсы на уровне одной клетки, но не все штаммы цианобактерий подстраиваются под свет. В то время как некоторые цианобактерии демонстрируют ритмичный фотосинтез в условиях постоянного освещения, другие демонстрируют конститутивную фотосинтетическую активность в условиях постоянного освещения, измеряемую по уровням фотосинтетического выделения кислорода. [16]
Грибы, как и млекопитающие, используют часы, управляемые TTFL, и поэтому их вовлечение включает корректировку концентраций определенных часовых белков на основе стимулов окружающей среды. Более конкретно, синий свет индуцирует транскрипцию частотного гена frq через фоторецептор WC-1 и его партнера WC-2 , а белковый продукт FRQ впоследствии регулирует активность WC-1 и WC-2 через фосфорилирование . [17] [18] Ультрафиолетовое излучение и другие длины волн света могут вызывать повреждение ДНК и мутации у грибов. Поскольку репликация ДНК требует раскручивания хромосом и подвергает молекулу ДНК воздействию УФ-излучения, грибам необходимо планировать репликацию ДНК во время дня с наименьшим УФ-излучением. [19]
Фотоэнтерация имеет многочисленные клинические применения. Светотерапия может использоваться для лечения ряда заболеваний, таких как синдром смены часовых поясов , сезонное аффективное расстройство (САР) , расстройства сна , деменция , биполярное расстройство и т. д.
Смена часовых поясов происходит, когда циркадный ритм человека не синхронизирован с окружающей средой, и это обычно вызвано путешествием через часовые пояса. Люди с джетлагом испытывают такие симптомы, как усталость, бессонница, головные боли и т. д. Была выдвинута гипотеза, что светотерапия может помочь смягчить эти симптомы. Исследование показало, что светотерапия в зависимости от направления путешествия может быть полезной; [20] путешественники на восток получали светотерапию с опережением фазы перед полетом, а путешественники на запад получали светотерапию с задержкой фазы перед полетом. [21]
Нарушение активности дофамина у человека из-за недостатка света в зимние месяцы считается причиной сезонного аффективного расстройства (САР) . Таким образом, была выдвинута гипотеза, что светотерапия может помочь повысить активность дофамина в сетчатке, обеспечивая свет, который больше не достигается в окружающей среде. [22] Практика фототерапии началась в 1984 году. Традиционно, человек, проходящий фототерапию для САР, получает утреннее лечение 5000 люкс в час. Эффект этого лечения заключается в том, что циркадный ритм человека будет опережать. Это делается для того, чтобы противодействовать задержке фазы в зимний период. [21]
Светотерапия также может использоваться для лечения расстройств сна, связанных с циркадным ритмом. Эти расстройства вызваны несоответствиями между циркадным ритмом и циклом света и темноты окружающей среды. Люди с расстройством сна испытывают бессонницу или гиперсомнию . Существует ряд расстройств сна, при лечении которых эффективна светотерапия, например, тип задержки фазы сна (DSPT) и тип опережающей фазы сна (ASPT) . DSPT возникает, когда человек ложится спать поздно и не может рано проснуться, что приводит к отсутствию адаптации к типичному рабочему графику. Существует ряд методов, помогающих устранить DSPT, включая воздействие белого света утром и ограничение света после 16:00, световые маски и воздействие синего света утром. [23] APST характеризуется как ранним засыпанием, так и ранним пробуждением и обычно наблюдается у пожилых людей. Светотерапия вечером (которая назначается до того, как температура тела достигнет своей самой низкой точки) может помочь вызвать задержку фазы у этих пациентов. [21]
Деменция — это снижение умственной деятельности, которое приводит к ухудшению памяти, мышления, принятия решений и т. д. Деменция связана с нарушениями цикла сна и бодрствования. Таким образом, светотерапия может помочь в улучшении нарушенного цикла сна и бодрствования. [24] Если это правда, это приведет к улучшению сна и улучшенному функционированию. Исследования рассматривали светотерапию как метод лечения деменции, однако результаты были противоречивыми. Одно исследование показало, что утренняя светотерапия помогла пациентам с деменцией со сном, но функционирование не улучшилось. В других испытаниях ни сон, ни поведение, по-видимому, не улучшились. Поэтому необходимо провести больше исследований, чтобы прояснить потенциал светотерапии как успешного метода лечения деменции. [21]
Биполярное расстройство — это психическое расстройство, характеризующееся внезапными изменениями поведения, эмоций, энергии и т. д., и эти изменения можно назвать биполярными эпизодами. Люди с биполярным расстройством могут испытывать как маниакальные , так и депрессивные эпизоды. Биполярное расстройство трудно поддается лечению, поэтому светотерапия рассматривалась как потенциальное решение. Одним из соответствующих исследований был метаанализ испытаний светотерапии при биполярном расстройстве. Результаты в целом были обнадеживающими, но не окончательными. Результаты указывают на то, что светотерапия может ограничивать симптомы и улучшать клинический ответ. [25] Кроме того, другой метаанализ показал, что светотерапия помогла пациентам с их симптомами и не вызвала никаких отрицательных эффектов. Однако светотерапия не повлияла на показатели ремиссии биполярного расстройства. [26]