Alla som har upplevt jetlag känner till den biologiska klockans kraft. Nästan alla organismer, från människor till de minsta bakterierna, har ett inbyggt system som berättar om det är dags att vila eller att vara aktiv. De flesta biologiska klockorna "tickar" autonomt, men vissa bakterier är beroende av ljus för att synkronisera sin klocka varje dag. Med hjälp av matematiska beräkningar, forskare från AMOLF och University of Michigan har nu visat att en autonom klocka lider mycket mindre av buller, som fluktuationer i solljus på grund av moln. Forskningsresultaten publicerades online den 14 augusti, 2018, i den vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Nästan alla organismer har en dag-natt-rytm, genom vilka de äter och sover på fasta stunder på dagen, till exempel. Denna rytm dikteras av proteinkoncentrationerna i organismens celler som pendlar under en period av 24 timmar. Dessa består av dygnsrycksklockan.

Jet lag

I de flesta arter, dygnet klockan är inte beroende av yttre signaler som ljus och mörker. "Om du skulle begränsa människor eller djur i ett rum utan ljus, då skulle de fortfarande ha behov av sömn eller mat i en rytm på cirka 24 timmar. Ändå, vår biologiska klocka är känslig för ljus och mörker, "säger Pieter Rein ten Wolde, som leder gruppen Biochemical Networks på AMOLF. "Perioden på cirka 24 timmar är inställd, men faserna kan skifta. Om vi ​​reser till andra sidan världen, då behöver vi tid att anpassa oss-detta är det välkända fenomenet jetlag. Dock, vi plockar snabbt upp den skiftade dag-natt-rytmen i den nya miljön. "

Några bakterier, dock, ha vad biologer kallar en timglassklocka. Dessa klockor måste återställas med ljus varje dag. Om det inte händer, då slutar klockan att ticka. Ten Wolde:"Sådana timglassklockor finns i vissa typer av cyanobakterier, blåalgerna som nu förorenar simvatten på många platser. Andra arter av cyanobakterier har en autonom biologisk klocka, fastän. Med hjälp av matematiska modeller, Vi har undersökt vad fördelen med autonoma dygnsur är. "

Modellering

Forskarna upptäckte att effekten av buller skiljer sig åt för de två typerna av klockor. För en biologisk klocka, variationer i solljusets intensitet på grund av moln, till exempel, är en viktig bullerkälla. "Vi upptäckte att autonoma klockor är mycket mindre känsliga för sådant buller, "säger Ten Wolde." Vi kan modellera en timglassklocka som en pendel. Så länge en extern signal driver den, den förblir i rörelse. En stark drivmekanism säkerställer svängningar med stor amplitud och därmed en bättre tidsindikering. Vid en stark koppling, dock, små förändringar i insignalen förstärks också, vilket gör det svårare att berätta tiden exakt. Omvänt, en svag koppling begränsar påverkan av buller, men med en så svag koppling, det är svårt att behålla svängningarna, med andra ord pendelrörelsen. "

Det är därför omöjligt att minimera effekten av buller vid en timglassklocka. Autonoma klockor, å andra sidan, fortsätta att svänga bra utan att det behövs någon extern drivmekanism. För dessa klockor, en svag koppling med det yttre ljuset räcker för att återställa klockan vid stora skiftningar i den dagliga rytmen, som en resa till en annan kontinent. Följaktligen, autonoma klockor upplever mycket mindre hinder från buller och är mer robusta. "Vi hittade detta resultat både i de modeller vi specifikt utvecklade för biologiska klockor av cyanobakterier såväl som i en mer allmän matematisk modell för klockor, "säger Ten Wolde." Tillförlitligheten vid yttre buller är förmodligen anledningen till att alla högre organismer har en autonom biologisk klocka. Varför timglasklockor fortfarande finns i naturen är fortfarande oklart. Även om dessa har en nackdel vid yttre buller, timglassklockor erbjuder möjligen en fördel om det är mycket buller i organismen. "