stringtranslate.com

Циркадное преимущество

Циркадное преимущество — это преимущество, получаемое, когда биологические циклы организма находятся в гармонии с его окружением. Это не очень хорошо изученное явление, но известно, что оно встречается у определенных типов цианобактерий , чьи эндогенные циклы, или циркадный ритм , «резонируют» или согласуются с их окружением. Известно, что оно встречается и у растений, что предполагает, что любой организм, способный настроить свои естественные циклы роста в соответствии со своим окружением, будет иметь конкурентное преимущество перед теми, кто этого не делает. Циркадное преимущество может также относиться к спортивным командам, получающим преимущество за счет акклиматизации к часовому поясу, в котором проводится матч.

В организмах

В контексте бактериальных циркадных ритмов , в частности, у цианобактерий , циркадное преимущество относится к улучшенной выживаемости штаммов цианобактерий, эндогенные циклы которых «резонируют» или согласуются с циркадным ритмом окружающей среды . [1] Например, рассмотрим штамм с периодом свободного хода (FRP) 24 часа, который совместно культивируется со штаммом, имеющим период свободного хода (FRP) 30 часов в цикле свет-темнота из 12 часов света и 12 часов темноты (LD 12:12). Штамм, имеющий 24-часовой FRP, со временем превзойдет 30-часовой штамм.

Исследования конкуренции на растениях дают еще один пример циркадного преимущества. Эти исследования показали, что эндогенные часы, которые резонируют с циклами окружающей среды, приводят к конкурентному преимуществу у Arabidopsis thaliana . [2] Эксперименты с диким типом, мутантами с коротким циркадным периодом и мутантами с длинным циркадным периодом показали, что растения с циркадным периодом, который оптимально синхронизирован с окружающей средой, росли быстрее всего. Это же исследование также показало, что фотосинтетическая фиксация углерода напрямую коррелирует с «циркадным резонансом». Другое исследование обнаружило, что гены, участвующие в фотосинтетических реакциях A. thaliana, находятся под контролем часов. мРНК, кодирующие связывающие белки хлорофилла, и фермент протопорфирин IX магниевая хелатаза, участвующие в синтезе хлорофилла, циклически менялись. [3] Увеличение производительности за счет «циркадного резонанса» может возникать из-за соответствующего ожидания восхода и захода солнца, что позволяет своевременно синтезировать белки светового комплекса и хлорофилл. Таким образом, конкурентное преимущество A. thaliana еще раз подтверждает идею о том, что ожидание изменений окружающей среды приводит к повышению приспособленности.

Rhodopseudomonas palustris — еще один пример преимущества наличия биологической системы синхронизации, которая взаимодействует с циклами окружающей среды. Хотя единственной прокариотической группой с хорошо известным механизмом циркадного хронометража являются цианобактерии, недавние открытия, связанные с R. palustris, предложили альтернативные механизмы хронометража среди прокариот. [4] R. palustris — это пурпурная несерная бактерия , которая имеетгены KaiB и KaiC и демонстрирует адаптивный kaiC -зависимый рост в 24-часовой циклической среде. Однако сообщалось, что R. palustris демонстрирует плохо самоподдерживающийся внутренний ритм, а kaiC -зависимое усиление роста не присутствовало в постоянных условиях. Система R. palustris была предложена как «прото» циркадный хронометр, который демонстрирует некоторые части циркадных систем ( гомологов kaiB и kaiC ), но не все.

Аналогичным образом, исследования эндогенных циркадных механизмов хронометража у мышей дополнительно подтверждают, что «циркадный резонанс» является эволюционно адаптивным. В одном исследовании, в частности, сравнивали приспособленность мышей дикого типа с мутантными мышами, у которых был короткий свободно текущий циркадный цикл. [5] У этих мышей была мутация в гене казеинкиназы 1Ɛ, который кодирует фермент, который является неотъемлемой частью контроля длины циркадного цикла. Затем смешанную группу мышей дикого типа и мутантных мышей выпустили в экспериментальный вольер на открытом воздухе, и после четырнадцатимесячного периода за мышами наблюдали. Мыши дикого типа и выживали дольше, и размножались с большей скоростью, чем мыши-мутанты. Фактически, мутантный генотип был сильно отобран против, тем самым предполагая естественный отбор в сторону тех генотипов, которые резонируют с естественным циклом LD.

Возможно, что циркадные часы играют роль в поведении микробиоты кишечника. [6] Эти микроорганизмы испытывают ежедневные изменения, коррелирующие с ежедневными циклами света/тьмы и температуры. Это происходит через поведение, такое как ритмы приема пищи в течение дня (потребление днем ​​для дневных животных и ночью для ночных животных). Наличие суточного хронометра может дать этим бактериям конкурентное преимущество перед другими. Позволяя бактериям чувствовать ресурсы, поступающие от хозяина, чтобы подготовить и усвоить их быстрее. Существуют бактерии, у которых есть суточные хронометры, и возможно, что микробиота имеет эндогенные часы, которые взаимодействуют с биологическими часами хозяина. [6] Например, если есть некоторые хронометрические качества микроорганизмов в кишечнике, возможно, что они могут влиять на циркадную систему хозяина. Эндогенные часы могут присутствовать у некоторых видов микроорганизмов, и наличие такого внутреннего хронометра может быть полезным как для кишечника (который испытывает ежедневные изменения доступности питательных веществ), так и для окружающей среды вне хозяина (которая испытывает ежедневные циклы света и температуры). [6]

В спорте

В соревновательном виде спорта циркадное преимущество — это преимущество команды над другой в силу ее относительной степени акклиматизации к часовому поясу по сравнению с противником. Хотя эта концепция была исследована исследователями в Стэнфорде в 1997 году [7] и в Массачусетском университете [8] , этот термин был придуман в 2004 году доктором У. Кристофером Уинтером , специалистом по сну и неврологом, изучающим влияние путешествий между часовыми поясами на производительность в Главной лиге бейсбола (MLB). [9] Это исследование было расширено до десятилетнего ретроспективного исследования с грантом через MLB, которое было завершено доктором Уинтером и его научным сотрудником Ноа Х. Грином, тогда студентом бакалавриата в Университете Вирджинии . Работа была представлена ​​в 2008 году на 22-м ежегодном собрании Associated Professional Sleep Societies в Балтиморе , штат Мэриленд. [10]

Используя соглашение, что для каждого пересечения часового пояса синхронизация с этим часовым поясом требует один день, команды можно анализировать в течение сезона, чтобы увидеть, где они находятся с точки зрения акклиматизации к своему часовому поясу игры. Например, рассмотрим Washington Nationals . Если они соревновались дома в течение последних 3 дней или больше, они полностью акклиматизировались к восточному стандартному времени (EST). Если бы они отправились в Лос-Анджелес , по прибытии они отставали бы на 3 часа, потому что они проехали 3 часовых пояса на запад. Каждые 24 часа, проведенные на западном побережье, приближали бы их к акклиматизации на 1 час. [11] Таким образом, после 24 часов в Лос-Анджелесе они отставали бы на 2 часа. Через 48 часов они отставали бы на 1 час, а через 72 часа они акклиматизировались бы ко времени западного побережья и оставались бы такими, пока не покинули бы свой часовой пояс.

В отличие от преимущества домашнего поля , которое присутствует в любой момент, когда две команды играют в игру, которая не проводится на нейтральной площадке, циркадное преимущество не применяется ко всем играм. В типичном сезоне MLB оно применяется примерно к 20% игр, а остальные 80% представляют команды с равным циркадным преимуществом. В видах спорта, где допускается больше времени между играми, оно может применяться к значительно меньшему количеству игр. Циркадное преимущество является гораздо более серьезной проблемой в видах спорта, где существуют значительные международные поездки.

Циркадное преимущество наиболее значимо, когда одна команда имеет преимущество в 3 часа (или больше) над другой. Такое совпадение встречается только после очень длительных перелетов, когда путешествующая команда играет вскоре после прибытия, чаще всего это перелеты с побережья на побережье в основных североамериканских и австралийских лигах. По мере того, как величина разницы во времени между двумя командами становится меньше, уменьшается и циркадное преимущество.

В 2018 году пилотные данные, собранные Армейским институтом исследований Уолтера Рида, были представлены на ежегодном собрании SLEEP Американской академии медицины сна, что позволило предположить, что команды Национальной футбольной лиги играют лучше ночью, чем днем, в результате циркадного преимущества. Также было указано, что команды имеют меньше потерь ночью. [12]

Ссылки

  1. ^ Ouyang Y, Andersson CR, Kondo T, Golden SS, Johnson CH (июль 1998 г.). «Резонирующие циркадные часы повышают приспособленность цианобактерий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (15): 8660–4. Bibcode : 1998PNAS...95.8660O. doi : 10.1073 /pnas.95.15.8660 . PMC  21132. PMID  9671734.
  2. ^ Dodd AN, Salathia N, Hall A, Kévei E, Tóth R, Nagy F, Hibberd JM, Millar AJ, Webb AA (июль 2005 г.). «Циркадные часы растений увеличивают фотосинтез, рост, выживаемость и конкурентное преимущество». Science . 309 (5734): 630–3. Bibcode :2005Sci...309..630D. doi :10.1126/science.1115581. PMID  16040710. S2CID  25739247.
  3. ^ Хармер С.Л., Хогенеш Дж.Б., Страуме М., Чанг Х.С., Хан Б., Чжу Т., Ван X, Крепс Дж.А., Кей С.А. (декабрь 2000 г.). «Организованная транскрипция ключевых путей у Arabidopsis с помощью циркадных часов». Наука . 290 (5499). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: 2110–3. Бибкод : 2000Sci...290.2110H. дои : 10.1126/science.290.5499.2110. PMID  11118138. S2CID  8920347.
  4. ^ Ma P, Mori T, Zhao C, Thiel T, Johnson CH (март 2016 г.). «Эволюция хронометристов, зависящих от KaiC: протоциркадный механизм синхронизации обеспечивает адаптивную приспособленность пурпурной бактерии Rhodopseudomonas palustris». PLOS Genetics . 12 (3): e1005922. doi : 10.1371/journal.pgen.1005922 . PMC 4794148. PMID  26982486 . 
  5. ^ Spoelstra K, Wikelski M, Daan S, Loudon AS, Hau M (январь 2016 г.). «Естественный отбор против мутации гена циркадных часов у мышей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (3): 686–91. Bibcode : 2016PNAS..113..686S. doi : 10.1073/pnas.1516442113 . PMC 4725470. PMID  26715747 . 
  6. ^ abc Johnson CH, Zhao C, Xu Y, Mori T (апрель 2017 г.). «Определение времени суток: что заставляет бактериальные часы тикать?». Nature Reviews. Microbiology . 15 (4): 232–242. doi :10.1038/nrmicro.2016.196. PMC 5696799. PMID  28216658 . 
  7. ^ Смит RS, Гийемино C, Эфрон B (май 1997). «Циркадные ритмы и улучшение спортивных результатов в Национальной футбольной лиге». Сон . 20 (5): 362–5. PMID  9381059.
  8. ^ Recht LD, Lew RA, Schwartz WJ (октябрь 1995 г.). «Бейсбольные команды, побежденные сменой часовых поясов». Nature . 377 (6550): 583. Bibcode :1995Natur.377..583R. doi : 10.1038/377583a0 . PMID  7566168. S2CID  4275658.
  9. ^ Winter WC, Hammond WR, Vaughn BV (2005). «Отслеживание «циркадного времени» как статистики в течение сезона Главной лиги бейсбола 2004 года: пилотное исследование». Сон . 28 : 64–5.
  10. ^ Winter WC, Hammond WR, Green NH, Zhang Z, Bliwise DL (сентябрь 2009 г.). «Измерение циркадного преимущества в высшей лиге бейсбола: 10-летнее ретроспективное исследование». Международный журнал спортивной физиологии и производительности . 4 (3): 394–401. doi :10.1123/ijspp.4.3.394. PMID  19953826.
  11. ^ Arendt J, Stone B, Skene D (2000). «Смена часовых поясов и нарушение сна». В Kryger MH, Roth T, Dement WC (ред.). Принципы и практика медицины сна (3-е изд.). WB Saunders. стр. 591.
  12. ^ Choynowski J, Skeiky L, St Pierre M, Brager A (апрель 2018 г.). «Использование кривых реагирования на производительность человека для демонстрации циркадных преимуществ для команд, играющих в ночные игры в течение сезона Национальной футбольной лиги». Сон . 41 : A68. doi : 10.1093/sleep/zsy061.171 .

Дальнейшее чтение