מה הקשר בין תרמוסטט מקולקל ליקיצה טבעית?

החוויה הבאה בוודאי מוכרת לרבים: אנו נכנסים לחדר ביום קיץ חם ומפעילים את המזגן. כעבור כמה דקות הטמפרטורה בחדר צונחת ונהיה קר מדי, אז מחלישים את המזגן. חולפות כמה דקות, מתחילים להזיע ומפעילים שוב את הקירור. התהליך הזה יכול לחזור על עצמו שוב ושוב, כשפעם הטמפרטורה גבוהה מהרצוי ופעם נמוכה, בלי להתקבע על טמפרטורה נוחה באמת.

כך עובד גם תרמוסטט מכני – כשהטמפרטורה חורגת מהרצוי, חיישן מאותת על כך והתרמוסטט מבצע את הפעולה שתסיט את הטמפרטורה לכיוון ההפוך – כיבוי או הפעלה של המיזוג. התהליך הזה מכונה "לולאת משוב שלילי", כלומר, תהליך שמעכב את עצמו. בתרמוסטט שתוכנן כהלכה לא ייווצרו בדרך כלל תנודות גדולות בטמפרטורה. בדוגמה שלנו, לעומת זאת, אנחנו מגיבים לחריגה בטמפרטורה באיחור, והדבר מוביל לתנודתיות גדולה סביב הטמפרטורה המבוקשת. אם לא נתייאש בדרך, המחזור הזה יוכל להימשך לנצח, או לפחות עד החורף.

התנודתיות הזו איננה רצויה כמובן במערכות כמו מיזוג אוויר, אך קיימות מערכות שבהן היא מעניקה דווקא יתרון. כזו היא המערכת של השעון הביולוגי, שאחראית על ויסות המקצבים היומיים בפעילותם של יצורים חיים, מהקטנים ביותר ועד בני אדם.

קוצב פנימי

מרבית היצורים על פני כדור הארץ מתאמים את פעולותיהם בהתאם לשעות היממה. בני האדם, לדוגמה, צורכים את רוב מזונם ביום וישנים בעיקר בלילה. המחזוריות נובעת לא רק ממצב האור והחושך סביבנו, אלא מבוקרת בעזרת קוצב פנימי שמסוגל למדוד זמן מחזור הקרוב ל-24 שעות.

אנו יודעים זאת מכיוון שבניסויים שבהם מניחים ליצור לחיות בתנאים מבוקרים קבועים, ללא מחזורי אור וחושך או כל תנאי אחר, הוא עדיין שומר על מחזוריות קבועה בכל תפקודיו - ערות ושינה, לחץ דם, טמפרטורת הגוף ועוד, ויכול להמשיך כך במשך חודשים רבים. הקוצב הזה מכונה השעון הצירקדי (Circadian; מלטינית – בערך יום). איך בדיוק מצליח השעון הזה לחולל מקצבים בלי סיוע מהסביבה?

אף שקיומם של שעונים פנימיים היה ידוע כבר בתחילת המאה ה-20, רק בשנת 1990 הצליחו לבסוף לפענח את מנגנון הפעולה שלהם, בעזרת זבובי פירות. תחילה זיהו גן מסוים של הזבוב, שכאשר הוא נפגם הוא עלול לשבש ואף להרוס לחלוטין את המחזוריות היומית של הזבוב. את הגן הזה, ואת החלבון המתורגם ממנו, כינו Period, כלומר "מחזור" באנגלית, והסיקו שהוא נחוץ לתפקוד השעון של הזבובים.

בהמשך התגלה שהגן אכן מופעל באופן מחזורי, וכן שהחלבון יכול לעכב את ההפקה של עצמו. התכונה הזאת היא גם המפתח להבנת אופן הפעולה של השעון: כשרמות החלבון Period בתא נמוכות, התא מייצר אותו במרץ, והוא מצטבר, עד שבשלב מסוים הרמות גבוהות מספיק כדי שייעכב את הייצור של עצמו. בעקבות זאת הרמות שלו יורדות בהדרגה, הייצור מוגבר מחדש, וחוזר חלילה. הלולאה הזאת מתחזקת את עצמה, עם זמן מחזור של כ-24 שעות.

מנגנון אוניברסלי

זה מזכיר מאוד את דוגמת המזגן: כשהטמפרטורה גבוהה (רמות גבוהות של החלבון Period) אנחנו מדליקים את המזגן (מעכבים את ייצור החלבון), ואז הטמפרטורה צונחת עד שאנחנו מחליטים לכבות את המזגן (להפסיק את העיכוב) מה שגורם לטמפרטורה לעלות שוב (עלייה בכמות החלבון). השעון הביולוגי עובד כמו תרמוסטט גרוע – הוא מכיל לולאת משוב שלילי, עם פער זמנים בין השינוי לתגובה.

למיטב ידיעתנו, העיצוב הבסיסי הזה אחראי לפעולת השעון הצירקדי בכל היצורים שנעזרים בו – מחיידקים, דרך צמחים ועד לבני אדם. זה המנגנון שגורם לנו להתעייף בשעה מסוימת של הערב, להתעורר בזמן מסוים בבוקר ולחוות ג'ט-לג (יעפת) אחרי טיסה בין אזורי זמן רחוקים. על גילוי המנגנון הוענק בשנה שעברה פרס נובל לרפואה לשלושת המדענים שאפיינו לראשונה את מרכיביו - מייקל רוזבאש (Rosbash), מייקל יאנג (Young) וג'פרי הול (Hall).