Biologische klok

Praktische opdracht: artikel

Heeft de biologische klok veel invloed op organismen?

Alle mensen, dieren en planten beschikken over een biologische klok. Allerlei processen in een organismen, met een eigen vaste ritme, zijn op elkaar afgestemd dankzij de biologische klok. Door de afwisseling van dag en nacht, de zeisoenscyclus, en de maanstand kunnen organismen een tijd instellen en als het nodig is hun klok gelijkzetten en de 24 uurs ritme aanhouden. De biologische klok is een inwendig klok en ligt in een bepaald deel van de hersenen en regelt de ademhaling, hartslag, stofwisseling, en de aanmaak van hormonen. Deze lichaamsfuncties zijn op elkaar afgestemd. Als de biologische klok verstoord wordt, bijvoorbeeld bij jetlag of nachtdienst dan raakt het lichaam verstoord en zullen de lichaamsfuncties niet goed op elkaar afstemmen. Men weet nog niet goed hoe de biologische klok precies werkt en op welke wijze de verschillende inwendige ritmen elkaar beïnvloeden.

Het leven wordt gekenmerkt door zich steeds herhalende gebeurtenissen: van de splitsing en verdubbeling van het DNA-molecuul en de celdeling, de ademhaling en hartslag, tot aan met de vaste regelmaat terugkerend gedrag. ‘Biologische ritmen‘ geeft men aan dat zulke gebeurtenissen volgens vaste patronen terugkeren. Het goed bij de tijd zijn door middel van regelmaat is op twee manieren voor levende organismes van belang: voor de inwendige organisatie en de ritmen in de buiten wereld. Een voorbeeld voor de inwendige organisatie is de uitwisseling van zuurstof en koolstofdioxide via diffusie door de huid. Ook de regelmaat van de ritmische ademhaling zorgt voor een constante gas toevoer. Bij de buitenwereld wordt rekening gehouden met de stand van de maan en aarde in het zonnestelsel. Er ontstaan seizoenen en de afwisseling van dag en nacht, het zijn omgevingsritmen waar organismen zich aan moeten aanpassen. Om bijvoorbeeld een veilige plaats te gaan zoeken of om op jacht te gaan.

De geschiedenis

Rond 1930 komt het onderzoek opgang dat bij een tiental mensen de ritmebeschrijving wordt gedaan waaronder dat van bloeddruk, ademhaling, water en zout gehalte. De 2e wereldoorlog zette alle ontwikkelingen op onderzoeksgebied stop, maar in het begin van de jaren 50 weren veel proeven met dieren gedaan. Wiskundigen ontwikkelen modellen over de wijze waarop verschillende ritmen op elkaar zijn afgestemd. Algemeen werd aangenomen dat een in het organisme aanwezig en onafhankelijk van de buitenwereld werkend tijdmechanisme verantwoordelijk is voor de biologische ritmen. In de jaren 60 richtte het onderzoek zich vooral op of er in een organisme meerdere klokken aanwezig zijn. Resultaten van experimenten met proefpersonen die in grotten of geïsoleerde bunkers verbleven, wijzen op het bestaan van meer dan een klok. De inwendige ritmen zijn erfelijk bepaald. Een bepaald DNA stuk is verantwoordelijk voor het ontstaan van ritmiek in activiteit. Dit stukje DNA, dat per gen wordt genoemd, kon met behulp van recombinant DNA-technieken verder worden geanalyseerd en geïsoleerd. Door het gen te transplanteren in dieren kon bij deze dieren een ritme worden opgewekt. Inplanting van het gen in de kop leverde een ritme in het activiteitspatroon op, inplanting op de borstholte deed de paringszang ritmisch worden. Een volgende stap was het analyseren van het per gen aangemaakte DNA welk eiwit werd gevormd. De eerste resultaten wijzen op de aanmaak van proteoglycanen, stoffen die een rol spelen in steunweefsel en die als het ware zorgen voor het contact tussen cellen onderling.

Ritme bij dieren en planten

De paloloworm in de stille Zuidzee geeft eenmaal per jaar bij volle maan geslachtcellen af aan het water. Het diertje geeft niet omdat er maanlicht voor de voortplanting nodig is, maar omdat het dan niet continu gebeurt maar in een bepaalde periode. Het diertje bezit dus een biologische klok die ervoor zorgt dat de voortplanting opgang komt.

Bij tijden van voedselzoeken zijn in het dagelijkse gedragspatroon een belangrijk onderdeel. Aangetoond is dat torenvalken die op muizen jagen, 24 uur na de vangst van een muis opnieuw gaat jagen op dezelfde plaats waar het eerder gevangen heeft. Op deze manier ontwikkelen ze een dagelijkse gewoonten waardoor ze het aantal veldmuizen dat boven de grond bevindt in stand houden.

Veel bloemsoorten bewegen hun bladeren door de wisseling van dag en nacht. Veel planten hebben de dag - en nacht ritmen, een ritmische verandering van de bladstand zoals de ochtend (de bladeren hangen), en de avond (afstaand). ’s Avonds vouwen ze hun blaadjes dicht en ’s ochtends weer open. Hierdoor wordt warmte verlies van de nacht tegengegaan. Bij het bloeien spelen de dag en nacht ritmen een belangrijke rol. Planten hebben een inwendige klok, of misschien wel twee, die steeds opnieuw worden gestart bij het begin van de dag en bij het begin van de nacht. Uit experimenten is gebleken dat de nachtlengte een belangrijke rol speelt bij het opwekken van de bloei. Bij de inwendige processen in de plant worden bloeistimulerende stoffen gevormd, en bepaalt het evenwicht tussen deze stoffen en bloeiremmers, wanneer de bloei gaat optreden. Ook de momenten waarop een bloem opent of sluit, zijn bij veel soorten nauwkeurig afgestemd op een bepaald tijdstip van de dag.

Darwin die zich verdiepte in bladbeweging wist niet dat de plant door een inwendig ritme werd bestuurd. Een eeuw voor Darwin had de Franse astronoom De Mairan dat wel aangetoond, door planten in een geïsoleerde duistere kelder te plaatsen. Daar bleven de bladeren ook open en dicht gaan. Zijn waarnemingen werden niet serieus genomen.

circadiane ritmiek

Vrijwel alle organismen wekken inwendig een ritme op, dat gemiddeld een periode heeft van ongeveer 24 uur. Men spreekt van een circadiane ritmiek, het Latijns voor circa is ongeveer en dies is dag. De circadiane ritmiek kan het best worden waargenomen bij constante omstandigheden, zoals bij een nachtdier in een duisternis met een constante temperatuur. In de natuur zou zoiets alleen functioneren, als er in het mechanisme een mogelijk is ingebouwd om voor de afwijking van 24 uur te corrigeren. Dit doen dieren in het algemeen om gebruik te maken van licht-donker cyclus. Ook andere factoren, zoals de temperatuur, vochtigheid en voedselaanbod. Maar geen enkel geeft een precies signaal als zonsopgang en zonsondergang. circadiane ritmen zijn zo dus gevoelig voor licht, en ongevoeliger voor andere prikkels.