השאלה המלאה: הורמונים מופרשים מתאים וגורמים לכל מיני פעולות בתאי המטרה, אך מה משפיע על פליטת ההורמונים ותזמונם? למשל איך הורמוני ההתבגרות יודעים לפעול דווקא בגיל מסוים, והורמוני עייפות שמופעלים בחשכה – מי עוקב אחר הזמן?



שלום,

שאלתך נוגעת בנושא מרתק הקשור למקצבים בעולם החי. כיום ידוע שלמרבית היצורים החיים (כולל פטריות ויצורים חד-תאיים) יש שעונים ביולוגיים שתפקידם לסנכרן את פעילותו של היצור עם העולם הסובב אותו. למעשה, הצורה הקדומה ביותר של יכולת לחישת זמן התפתחה כבר ביצורים חד-תאיים קדומים – שהכילו חלבונים רגישים לאור שעזרו להם לתזמן את שכפול התא וחלוקתו לשעות הלילה, כדי למנוע נזקים מקרינה על-סגולה הבאה מהשמש.

אף שכיוון השעונים ביולוגיים נעשה על פי סימנים חיצוניים כגון אור יום, השעון הביולוגי הוא פנימי וממשיך להתקיים גם אם אין שום גורם מסנכרן (לדוגמה בתנאי תאורה קבועים). כלומר השעון הביולוגי נמצא כבר במטען הגנטי של היצור (דנ"א), ועובר בתורשה. כמו כן, נוסף על כך שהוא אחראי על התאמת התנהגותו של בעל החיים לסביבתו, הוא מווסת גם את התזמון של תהליכים פנימיים הקשורים בזמן כגון סנכרון מחזור השינה ואף התפתחות מינית.


סכמה המתארת מחזור יומי אצל בני אדם | התרשים לקוח מוויקיפדיה

למרבית בעלי החיים יש מנגנונים שמסוגלים לתזמן פעילות מחזורית בכמה מקצבים שונים. ישנו המחזור היומי שמסונכרן בדרך כלל לפי השמש; מחזור עונתי שמתבסס על היכולת של היצור לחוש שינויים באורך היחסי של היום או לקלוט רמזים סביבתיים הקשורים בטמפרטורה; מחזור שינה שנמשך כ-90 דקות; מחזור חודשי אצל נשים, המסונכרן על ידי הורמונים; מחזור המנבא גאות ושפל, שנפוץבעיקר אצל יצורים שחיים ברצועות חוף; או מקצב המודד את גילו של היצור ואחראי בין השאר לתהליכי התפתחות מינית, התבגרות והזדקנות.

המחזור היומי אצל יונקים מנוהל על ידי ההורמון מלטונין שמופרש מבלוטת האצטרובל שבמוח. במהלך שעות היום המלטונין כמעט אינו מופרש ואנחנו ערניים ומתפקדים, הפרשת המלטונין מתחילה בשעות הדמדומים ורמתו עולה בשעות הערב והלילה. האזור המוחי שמפקח על הפרשת המלטונין מבלוטת האצטרובל נקרא SCN (SupraChiasmatic Nucleus) והוא מקושר ישירות לרשתית העין. ברשתית עצמה, נוסף על קולטני הראייה הרגילים, מצויים תאים נוספים רגישים לאור שמעבירים מידע ישירות ל-SCN. התאים האלה פועלים באופן עצמאי, וקיימים גם אצל עיוורים שאינם מסוגלים לראות אור.

המידע המגיע מרשתית העין מסנכרן את פעילות התאים ב-SCN, שבעקבות זאת מעבירים מידע לבלוטת האצטרובל. מחקרים שנעשו על יונקים מגלים שיצורים שממוחם הוסר ה-SCN מאבדים את היכולת לסנכרן את פעילותם עם השעה ביום.

עם זאת, בתנאי אור קבועים, כשה-SCN אינו מקבל קלט מרשתית העין, נמשכת הפעילות המחזורית היממית על סמך מחזוריות פנימית שמתרחשת בתאי ה-SCN. המחזוריות הזו תהיה בקצב של קרוב ל-24 שעות, וברגע שיינתן סימן של אור חיצוני מהסביבה היא תתאים את עצמה מחדש למחזור היום/לילה הרגיל.


ה-SCN. מווסת את המחזור היומי | התרשים לקוח מוויקיפדיה

אם כך, אצל יצורים רבים פועלים שעונים ביולוגיים שתפקידם להתאים את פעילות היצור עם תנאי סביבה שמשתנים באופן מחזורי. השעונים האלה אחראים בין השאר על התזמון הנכון של הפרשת הורמונים מתאימים.

בלבול שמתרחש בשעונים הביולוגיים מוביל בדרך כלל לבלבול מערכתי, כפי שקורה למשל בתופעת היעפת (ג'ט לג) המתרחשת כשאדם טס בין אזורי זמן מרוחקים. בדרך כלל השעון הפיזיולוגי מסתנכרן עם סביבתו תוך זמן קצר והתנהגות בעל החיים מתאימה את עצמה מחדש לנסיבות הטבעיות.

רות חייט
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

8 תגובות

  • חגית

    איפוס השעון הביולוגי

    שלום רב,
    תודה על השאלה המעניינת ועל התשובה הבהירה!
    רציתי לשאול בבקשה בעניין איפוס השעון הביולוגי-
    ע"מ לאפס שעון ביולוגי (במצב של ג'ט לג למשל, או הצטברות עייפות אצל פעוטות)-
    1. האם יש ערך מוסף בחשיפה לקרני השמש ע"פ חשיפה לקרני אור חשמל?
    ואם יש ערך בחשיפה לקרני השמש:
    2. האם לשעת הזריחה יש ערך מוסף ע"פ כמה שעה/שעתיים מאוחר יותר? (חוץ מרמת ה uvb שמן הסתם נמוכה יותר בשעת הזריחה)
    3. ושאלה אחרונה- האם בהקשר של איפוס השעון הביולוגי יש ערך בחשיפת עור הגוף לשמש (יציאה החוצה מהבית למשל) או שמספיק שהרשתית תיחשף לאור (למשל בחדר עם תריס פתוח,כאשר אור השמש נכנס אליו דרך החלון)?
    תודה מראש!

  • ד"ר רות חייט

    תשובה

    חגית שלום,
    בעיקרון חשיפה לאור חשמל משפיעה על השעון הביולוגי ולכן בעידן המודרני קיימים הרבה אנשים שאינם מסונכרנים עם מחזור האור היממי, ופעילים בעיקר בשעות הלילה. בניסוי בו נבדקו אנשים שנבדלו מאוד אחד מהשני בשגרת יומם – כאשר חלקם קמו מוקדם והלכו לישון מוקדם וחלקם התעוררו והלכו לישון מאוחר: כאשר במשך שבוע אנשים שונים אלו חיו בתנאי מחנאות בהם מקור האור היחידי הייתה השמש השעון הביולוגי של כולם הסתנכרן עם מחזור היום הטבעי. לעומת זאת בתנאים רגילים בהם החשיפה לאור חשמל הייתה מותרת השעון הביולוגי היה מסונכרן למחזור החשיפה לאור – שכלל בתוכו גם את זמני החשיפה לאור החשמלי.
    בעיקרון בכל תאי הגוף מתבטאים חלבונים שקשורים לשעון הביולוגי, אך תפקידם של השעונים המקומיים האלו הוא לסנכרן את פעילות האיברים עם הסביבה הקשורה אליהם. כך לדוגמא תפקיד השעון בתאי הכבד הוא להסתנכרן עם זמני הארוחה. גם בתאי העור מתבטאים חלבונים שקשורים לשעון הביולוגי אך תפקידם קשור לפעילות העור – לדוגמא בביטוי גנים שעוזרים למנוע נזק של קרינת UV . השעון הביולוגי המרכזי, שנמצא בSCN שבמוח מתאפס אך ורק על ידי אור שמגיע מהעיניים. (כמובן שעוצמת האור שתגיע לעיניים בחוץ עדין כנראה תהיה גדולה יותר מאשר בחדר עם חלון פתוח...)
    תודה על ההתעניינות,
    רות

  • חגית

    תודה על התשובה המופרטת!

  • שאול

    השעון הביולוגי וחילוף חומרים

    בידיעות אחרונות הופיע כתבה של דודי גולדמן על מכון ויצמן ובמסגרתה הוא ראיין את ד"ר גד אשר.
    בין השאר ד"ר גד אשר אמר : "אם נדע לתכנן נכון את הזמנים הנכונים לפעילות הגוף ולאכילה, אולי נוכל לנצל את חומרי המזון השונים בדרך נכונה ובריאה יותר.
    לפי השעון הביולוגי שמופיע כאן אזי הזמן המיטבי לאכילה הוא בבוקר והזמן המיטבי לפעילות הגוף הוא 17:00.
    1. האם המחקר המדעי מסכים לכך ואימת זאת?
    2. במידה וכן מהו ההגיון האבוליציוני לכך? כי לדוגמא אחרי פעילות גופנית יש לאכול חלבונים ופחמימות כדי לשקם את השרירים שנפגעו חלקית וזה סותר את זמני השעון הביולוגי כי אזי יוצא שצריך לאכול אחרי צהריים בעיקר.
    אשמח להבהרות והסברים נוספים בנושא.

  • יסכה

    שעון צירקדי

    שלום, קראתי שהמקצב הצירקדי נוצר מפעילות חלבוני שעון שמצטברים בתא ומביאים להפסקת ייצורם; משך הזמן מהתחלת ייצור חלבוני השעון ועד פירוקם והפסקת היצור הוא כ-24 שעות.
    חלבון השעון זה המלטונין? אם כן, קודם יש הצטברות של חלבון ואז הוא מפורק?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרות חייט

    תשובה

    שלום יסכה
    המלטונין הוא לא "חלבון השעון". תפקידו של המלטונין הוא לא תוך-תאי כי אם חוץ תאי – כלומר המלטונין משמש כהורמון (חומר שמופרש במקום אחד בגוף עובר בדם ומשפיע על מקומות אחרים בגןף). הפרשת המלטונין תלויה בפעילותו של השעון הביולוגי, אך המלטונין הוא לא חלק ממנגנון השעון התאי.

    הפנייה לכתבה בנושא:

    http://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/life_sci/%D7%9B%D7%99%D7...

  • אסף

    בלבול והשפעה על מערכות מדידת הזמן

    הי, אני זה ששאל את השאלה, התשובה הייתה מעניינת מאוד וחידשה לי הרבה.
    אך אם השעונים הביולוגיים מושפעים מגורמים חיצוניים, האם אפשר להטעות אותם "ולהזיז את המחוג", ולגרום ליצור כלשהו לחשוב שמדובר בשעה שונה, או מעניין מכך לחשוב שהוא מבוגר או צעיר יותר ממה שהוא באמת, למשל לגרום ליצור צעיר להתפתח ולהתבגר בקצב מואץ או מואט.
    דרך אגב, פירטת רבות בנוגע למנגנוני הזמן של מחזור השינה, אשמח מאוד אם תוכלי לפרט על אופן פעולתו של מנגנון מחזור ההתבגרות (למשל, אך זחל יודע שהגיע הזמן להפוך לגולם, או אצל אנשים)

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרות חייט

    תשובה

    שלום אסף,
    בהחלט אפשר להטעות את השעון הביולוגי – המצב הנפוץ בו זה קורה מתרחש במעבר בין ארצות הנמצאות באזורי זמן שונים בתופעת היעפת (ג'ט-לג) . במקרים מסוימים ניתן גם לזרז או לדחות התפתחות של צמחים ובעלי חיים מסוימים. מנגנון ההתבגרות הוא אחד המנגנונים המעניינים כיוון שהוא גם קשור בתהליכי זקנה והתנוונות. אולם במקרה זה ברוב המקרים עדין רב הנסתר על הגלוי.

    כתבה שדנה בתהליכי הזדקנות בבני אדם:
    http://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/med_and_physiol/%D7%9E%D...

    חיי הנצח של הלובסטרים
    http://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/life_sci/%D7%94%D7%90%D7...