- عضویت
- 16/8/19
- ارسال ها
- 3,661
- امتیاز واکنش
- 13,898
- امتیاز
- 348
- زمان حضور
- 79 روز 12 ساعت 50 دقیقه
بیگ بنگ: سیکل‌های حیات در تمام بدن انسان، ساعت‌های شبانه روزی فعالیت‌های مداوم را بر اساس یک جدول زمانی در روز و شب را اداره می کنند. کارهای تحقیقاتی جدید خاستگاه و فرگشت ساعت‌های زیستی را روشن می کنند.
به گزارش بیگ بنگ، زمین با چرخش حول محور خود، ریتمی ۲۴ ساعته داشته و سطحش به صورت متناوب در معرض نور خورشید و تاریکی قرار می گیرد. ارگانیسم‌ها از جلبک گرفته تا انسان با سنجش زمان توسط ضربانِ روشنایی/تاریکی سیاره فرگشت یافته‌اند. آنها با استفاده از مهمترین زمان سنج‌های جهان، که ساعت‌هایی روزانه، یا شبانه روزی هستند، اجازه می دهند جدول زمانی روزانه‌شان به وسیلۀ طلوع و غروب خورشید غافلگیر نشود.
ساعت اصلی در مغز انسان، به وسیله هماهنگ کردن خواب و بیداری با نور خورشید ظهور یافت. اما ساعت‌های بیشتری در بدن وجود دارد. ساعت‌های شبانه روزی تقریبا در هر سلولی از بدن تیک تاک می کنند. یک ساعت در کبد و ساعتی دیگر در بافت چربی و دیگری در طهال. باربارا هلم، متخصص ساعت‌های زیستی در دانشگاه گلاسکو اسکاتلند می گوید: این ساعتها، الگوهای خواب و زمان‌های غذا خوردن را تنظیم می کنند. آنها جریان هورمون ها را کنترل کرده و پاسخ‌های بدن به مقدار قند و بسیاری از فرآیندهای زیستی دیگر را تنظیم می کنند.
بسیاری از دانشمندان می گویند که زمان سنج‌ها چنین مزیت‌های فرگشتی‌ای را عرضه کرده‌اند که گونه‌های مختلف در سراسر تاریخ، بارها و بارها آنها را گسترش داده‌اند. به غیر از مهم و متعارف بودن ساعت‌های شبانه روزی، اینکه دقیقا چرا چنین ساعت‌هایی در اولین گام از حیات پدیدار شدند، رازی عمیق و دیرپاست. بسیاری از دانشمندان طرفدار این دیدگاه هستند که ارگانیسم‌های مختلف، به طور مستقل، ساعت‌های زیستی خود را فرگشت بخشیدند. هر کدام از این ساعتها چرخۀ مخصوص به خودش را تکرار می کند. موجودات زنده این کار را احتمالا برای محافظت از دی ان ایِ آسیب پذیر و شکننده خود در برابر پرتوهای مخرب فرابنفش خورشید انجام داده‌اند. اما گروه کوچکی از پژوهشگران این طور فکر نمی کنند. آنها می گویند باید یک ساعت مادر پیش از ظهور همۀ ساعت‌های زیستی دیگر وجود داشته باشد. آن ساعت برای محافظت سلول از آسیب ناشی از اکسیژن و شاید دیگر مزایای ناشناخته محافظتی فرگشت یافت.
جلبک سبز-آبی یکی از ساده‌ترین ساعت‌های شبانه روزی را با سه چرخدندۀ پروتئینی داراست. با فرارسیدن غروب آفتاب پروتئین KaiA به پروتئین KaiC و فسفات ارغوانی کمک می کند تا به خودش تبدیل شوند. در شب، KaiB پروتئین KaiA را مسدود کرده و در سپیده دم، فسفات ها از KaiC جدا می شوند. این ساعت به فتوسنتز هماهنگ شدۀ جلبک با نور خورشید کمک می کند.
ساعت‌های زیستی اولیه ممکن است شباهتی به ساعت‌های دقیق بدن که امروزه دانشمندان آنها را مطالعه می کنند، نداشته باشند. پژوهشگران می گویند ساعت‌های اجدادی ممکن است به طور ساده همانند یک ساعت آفتابی شروع به کار کرده باشند، اما اساسی برای ساخت مکانیزم‌های پیچیده‌تر فراهم آوردند که اکنون همه چیز ما از فشار خون گرفته تا زمان خواب را کنترل می کنند.
ساعت‌های شبانه روزی چرخدنده و عقربه ندارند. آنها از مولکولهای RNA و پروتئین‌هایی تشکیل شده‌اند که به وفور نوسان می کنند. در زمان‌های خاصی از روز، پروتئینهای ساعت‌ساز معینی، تولید پیام‌رسان RNA را که سلول از آن برای ساختن دسته‌ای تازه از دیگر پروتئینهای ساعت‌ساز استفاده می کند، متوقف می کنند. در نهایت سطح آن پروتئین‌ها به آستانه ی معینی می رسد؛ سپس ساختن پیام رسان RNA را که خودشان را می سازد، متوقف می کنند. پروتئینهای خودسرکوبگر متلاشی شده یا به وسیلۀ دیگر پروتئین‌ها کم کم خورده می شوند تا سطح‌شان به زیر آستانه سقوط کند، سپس پیام نیاز به دسته‌ای دیگر از پروتئینهای ساعتی صادر شده و چرخه مجددا شروع می شود.
درست همان طوری که رولکس، تایمِکس، اسواچ و سیکو نسخه‌هایی مخصوص به خود از ساعت مچی هستند، ارگانیسم‌هایی اعم از سیانوباکتری‌ها، قارچ‌ها، گیاهان و حشرات نیز همگی اختراعات مختلف مخصوص به خودشان را از ساعت‌های شبانه روزی دارند. پروتئینهای چرخه‌ای در میان این ارگانیسم‌ها انواع مختلفی دارند همان طوری که دقت ساعت‌های دیجیتالی از ساعت‌های مکانیکی بیشتر است. اما همۀ آنها روز را با افزایش و کاهش تولید پیام رسان RNA و پروتئین علامت‌گذاری می کنند.
در مگس میوه، مقادیر چرخدنده‌های ساعت شبانه روزی یعنی پروتئین‌ها (خطوط تیره) و پیام رسان RNA (خطوط نقطه چین) به دفعات معینی در روز افزایش و کاهش می یابند. سه چرخدندۀ مهم که “ساعت‌ساز“ (بنفش رنگ)، “بدون زمان“ (خاکستری رنگ) و “دورۀ تناوب“ (آبی رنگ) نامیده می شوند، همانطور که در شبیه‌سازی کامپیوتری دیده می شود، هر ۲۴ ساعت یک فراز و فرود دارند. اگر هیچ عامل اختلالی وجود نداشته باشد، این ساعت به تولید امواجی فعال در روزهای متمادی خواهد پرداخت.
تردیدی نیست که امروزه ساعت‌های شبانه روزی باید ضمائمی برای اغلب ارگانیسم‌های زنده در سطح زمین داشته باشند. اما آیا می توان از داستان “خاستگاه گریز از نور” سر در آورد؟ بخشی از مدرک اصلی در حمایت از ایدۀ “گریز از نور” این است که سلول‌ها تمایل دارند که دی ان ای شان را در شب‌ها به طور ایمن در پناه تاریکی کپی کنند و در طول روز خرابی‌های ناشی از ذخیرۀ پرتو فرابنفش(UV) را ترمیم کنند. برخی از پروتئینهای مشابه دندانه‌های چرخدنده که ساعت‌های شبانه روزی را به حرکت وا می دارند نیز در ترمیم DNA درگیر شده و اتصالات آن را محکم تر می کنند.
عزیمت به دوران ما قبل
اُنیل یکی از دانشمندانی که در حال بازنویسی داستان خاستگاه ساعت‌های شبانه روزی است می گوید: چندین مدرک مستدل بر علیه ایدۀ گریز از نور بعنوان نیروی متعارفِ پیشران و فرگشت دهندۀ ساعت‌های شبانه روزی وجود دارد. اگر چرخه از محافظت DNA به وجود می آید، انتظار می رود چرخه فقط در جایی پدیدار شود که DNA مورد حفاظت قرار می گیرد. اما معلوم شده است که ریتم‌های شبانه روزی می توانند در لولۀ آزمایش بدون حضور DNA هم روی دهند. گونه‌ای از سیانوباکتری، یا جلبک سبز-آبی، که با نام سینِچُکُکوس اِلانگاکوس شناخته می شود، یکی از ساده‌ترین ساعت‌های شبانه روزی را داراست. این ساعت از سه نوع پروتئین با نام‌های KaiA ، KaiB و KaiC تشکیل شده است. این سه چرخدنده به همراه دو پروتئین فرعی به جلبک کمک می کنند تا با ذخیره کردن پروتئینهای مورد نیاز برای فتوسنتز و سایر فعالیت‌های مهم روزانه، برای طلوع آفتاب آماده شود.
با انداختن سه پروتئین ساعت ساز درون لولۀ آزمایش و اضافه کردن انرژی از سوی اَدِنُکسین تری فسفات که بیشتر با نام ATP شناخته می شود، ساعت به صورت ریتمی مولکولهای فسفات را از KaiC کم و زیاد می کند. تاکااُ کُندُ و تیمش از دانشگاه ناگُیا ژاپن در سال ۲۰۰۵ در مجلۀ ساینس این موضوع را گزارش نمودند. این کشف پژوهشگران ساعت‌های شبانه روزی را متحیر کرد، زیرا این مساله نشان می داد که ساعت‌های زیستی می توانند بدون DNA هم کار کنند. همچنین روشن کرد که ساعت‌های زیستی نیازی به کلید پیام رسان RNA و تولید و یا عدم تولید پروتئین جهت سنجش زمان ندارند.
جلبک‌های سبز-آبی و اجداد مرموز و نا معلوم حشرات و حیوانات، شاخه‌های مختلف درخت فرگشتی را بیش از یک میلیارد سال قبل شکل دادند. پروتئینهای ساعت ساز سینِچُکُکوس اِلانگاتوس هیچ شباهتی به پروتئینهای زمان سنج مرکزی پستانداران ندارند. لذا برخی از پژوهشگران تردید داشتند که ساعت‌های بدون DNA در سازواره‌های بسیار پیچیده‌تر نسبت به جلبک‌ها وجود داشته باشند.
اُنیل و همکارش اخیلِش رِدی از دانشگاه کمبریج فکر می کنند که ساعت‌های بدون DNA را در جای دیگری می توانند بیابند. آنها تصمیم گرفتند که ساعت‌های شبانه روزی را در گلبول‌های قرمز خون انسان که بدون هستۀ حاوی DNA است، جستجو کنند. بدون DNA این سلول‌ها پیام رسان RNA تولید نمی کنند، چیزی که برای ساعت‌های شبانه روزی کلاسیک ضروری است. با این حال، این سلول ها باز هم ریتم‌های شبانه روزی دارند. اُنیل و ردی این موضوع را در سال ۲۰۱۱ در مجلۀ نیچر گزارش کرده‌اند.
ساعت گلبول‌های قرمز خون به طور کامل با سیکل پروتئین و پیام رسان RNA در سلول‌های حاوی هسته و هماهنگ با نور خورشید، تفاوت دارد. در این سلول‌های قرمز خونی، پروتئینهای آنتی اکسیدان با نام پراُکسی ریدُکسین، موکلول‌های اکسیژن را به طور مداوم با ریتمی شبانه روزی، گرفته و رها می کنند. این عمل آنها کمک می کند تا پِراُکسید هیدروژن که محصولی جانبی ناشی از تولید انرژی طبیعی در سلول است، از بین برود. پراکسید هیدروژن و دیگر اکسیدان‌ها می توانند بسیاری از اجزای سلول را تخریب کنند، بنابراین در کنترل داشتن آنها برای بقای سلول ضروری است.
پراکسی رداکسین‌ها در انواع مختلفی از ارگانیسم‌ها، از جمله جلبک‌های دریایی با نام اُستِرُکُکوس توری یافت می شوند. اُنین و ردی با دیگر همکارانشان پراکسی رداکسین‌ها را در جلبک مورد بررسی قرار دادند. اُنین می گوید: درست مانند گلبول‌های قرمز خون، در آنجا نیز یک ریتم وجود داشت. مقدارِ مولکولهای اکسیژنِ چسبیده به پراکسی رداکسین‌ها به طور مداوم در یک چرخۀ ۲۴ ساعته افت و خیز می کرد. تیم اُنیل این کشف را در سال ۲۰۱۱ در همان شماره مجلۀ نیچر گزارش کردند.
یک سال بعد، پژوهشگران در مجلۀ نیچر گزارش کردند که چرخه‌های پراکسی رداکسین را در مگس میوه، گیاه اَرَبیدُپسیس ثالیانا، قارچی به نام نوروسپُرا کرَسا، سیانوباکتری ساینِچُکُکوس اِلانگاتوس و یک تک سلولی به نام هالُبَکتریوم سالیناروم یافته‌اند. هر ارگانیسم مظهر یک بازه‌های بزرگ مربوط به حیات است. اگر هر بازه، ساعت‌های پراکسی رداکسین مربوط به خودش را داشته باشد، آنتی اکسیدان‌ها احتمالا بسیار باستانی بوده و به میلیاردها سال پیش بر می گردند.
خطر اکسیژن
هیچکس قطعا نمی داند که ساعت‌های آنتی اکسیدان به چه دورانی بر می گردند، اما اُنیل یک بازۀ زمانی ۲/۵ میلیارد ساله در ذهن دارد. دوره‌ای که سیانوباکتری‌هایی که تازه شروع به استفاده از فوتوسنتز جهت تامین سوخت فعالیت‌های خود کرده بودند، شروع به آزاد کردن مقادیر بسیار زیادی اکسیژن در یک رویداد اکسیداسیون بزرگ کردند. در حالی که اکنون فوتوسنتز و جوِ سرشار از اکسیژن ضرورت دارد، برای اشکال حیات در دوره ی پرکامبرین، اکسیژن سم محسوب می شد. ارگانیسم‌هایی که نمی توانستند این اکسیژن آزاد شده را تحمل کنند، یا مُردند یا در اعماق دریا بی هوازی شدند. اُنیل می گوید: «سازواره‌هایی که از بین نرفتند، از عهدۀ شرایط جدید برآمدند.»
برای این ارگانیسم‌ها، در طول روز، هنگامی که فوتوسنتز صورت می گرفت، اکسیژن مشکلی اساسی به شمار می رفت. ارگانیسم‌هایی که به وسیله سیستم دفاعی آنتی اکسیدان خود با محروم کردن پراکسی رداکسین از مولکولهای اکسیژن به طوری که بتوانند پراکسید هیدروژن را زمانی که خورشید بالای افق است جذب کنند، توانستند این چالش حیات را پشت سر بگذارند. یک ساز و کار تنظیم وقت که می توانست به استقبال اکسیژن تازه وارد به جای واکنش صرف با آن برود. آن طور که اُنیل می گوید: «این یک مزیت بسیار بزرگ بود که فقط با تجهیزات لازم کامل می شد.»
مادر همۀ ساعتها یک تک سلولی به نام لوکا (LUCA) که نواده جد مشترک همۀ موجودات در گذشته بود، ممکن است ساعت شبانه روزی را توسعه داده باشد. زمان‌سنج باستانی ممکن است در جد حیوانات، گیاهان و قارچ ها در رویارویی با چالشهای محیطی پدیدار شده باشد. نمودار میله‌ای فوق مشخص می کند که ساعت‌های شبانه روزی‌ای که آنها را امروزه می شناسیم، از چه زمانی وجود داشته‌اند.
پراکسی رداکسین‌ها به مثابه چرخدنده‌های ساعت نبوده بلکه بیشتر شبیه به عقربه‌های ساعت هستند؛ مقدار افت و خیز اکسیژن در آنها معیاری برای سنجش زمان توسط یک زمان‌سنج مرکزی تاکنون ناشناخته و بسیار باستانی است. این ساعت مرموز مزیتی بود که ارگانیسم‌ها آن را در سراسر تاریخ فرگشتی‌شان حفظ کرده و در صورت نیاز آن را راه اندازی می کردند. مانند ساعتی که می تواند زمان را در اوقات مختلف اعلام و به صورت قبل از ظهر و بعد از ظهر نمایش دهد. اُنیل فکر می کند که افزون بر اطلاعات تقویمی، ساعت‌های شبانه روزی مولفه‌هایی جهت ردیابی چالشهای محیطی مختلف اضافه کرده‌اند.
پژوهشگران دیگر پیشنهاد کردند از آنجایی که پروتئینهای ساعت‌های شبانه روزی در سیانوباکتری‌ها، حیوانات و گیاهان متفاوت هستند، نیاکان این ارگانیسم‌ها باید مستقلا این ساعتها را فرگشت داده باشند. اُنیل می گوید: «با وجود اینکه چرخدنده‌های اصلی متفاوت هستند، همیشه تعداد کمی از کینازهای مشابه را می بینید که سرعت ساعت را تنظیم می کنند.»
کینازها پروتئین‌هایی هستند که مولکولهای فسفات را بر روی دیگر پروتئین‌ها نگه داشته، و آنها را برای تخریب یا تغییر عملکرد پروتئین‌ها انتخاب می کنند. اُنیل دو نوع از مهمترین کینازها که در حرکت ساعت‌های پراکسی رداکسین مهم هستند را یافته است. این دو نوع عبارتند از کازئین کیناز ۱ (CK1) و گلیکوژن سینتوز کیناز۳ (GSK3). آنها ممکن است ساعت‌های اجدادی‌ای باشند که او و دیگران به دنبالشان بودند.
حتی ارگانیسم‌هایی که ریتم های شبانه روزی نداشتند، چرخه های پراکسی رداکسین با نیروی محرکۀ کیناز دارند. اُنیل، هِلِن کاستُن از دانشگاه کلمبیا و همکارانشان این موضوع را در شماره ۲۰ آپریل ۲۰۱۵ مجله کارنت بایولاجی (زیست شناسی معاصر) گزارش کرده‌اند. مخمر نانوا یا ساکچَرُمیسِز سِرویسِی، هیچ پروتئین قابل شناسایی بعنوان پروتئین ساعت ساز و همچنین سیکل ۲۴ ساعته ندارد. این بدان معنا نیست که مخمر نمی تواند زمان را محاسبه کند. آنها تقریبا هشت نوسانگر تنفسی سه ساعته دارند که در آن آهنگ مصرف اکسیژن افزایش و کاهش می یابد. نسخۀ شیمیایی مسدود کننده مخمر از نوع CK1 سرعت نوسان مخمر را به آرامی کاهش می دهد. پژوهشگران گزارش دادند که خوراندن CK1 به موش‌ها باعث تغییر در ریتم شبانه روزی سلول‌هایشان شده است.
این یافته‌ها نشان می دهند که کینازها برای ایجاد ریتم در زمان‌سنج‌های شبانه روزی مهم هستند. پژوهشگران فکر می کنند که کینازها ممکن است به زمان‌سنج ساده‌ای شبیه به سیستم KaiA,B,C شکل داده باشند. اُنیل می گوید: «با این چرخدنده‌های ساده، ارگانیسم‌ها می توانستند چرخدنده‌های بیشتری را برای شکل‌دهی به ساعت‌هایی که ما امروزه می بینیم اضافه کنند. با این حال هنوز سندی وجود ندارد مبنی بر اینکه کینازها مولکولهای اجدادی‌ای هستند که ساعت‌های امروزی را پایه‌گذاری کردند.»
دقت تنظیم زمان کینازها، آنزیم‌هایی هستند که ممکن است چرخدنده‌هایی در ساعت شبانه روزی اولیه بوده باشند. امروزه آنها به عنوان کنندۀ ضربان برای بسیاری از زمان‌سنج‌های عمل می کنند. یک نوع از کینازها به نام Swe1 سرعت سیکل تنفسی اکسیژن را در مخمر نانوا تنظیم می کند. یک سیکل معمولا حدود سه ساعت طول می کشد (نمودار بالایی)، اما اگر یک جهش باعث حذف Swe1شود، سرعت چرخه افزایش خواهد یافت (نمودار پایینی).
اُنیل اذعان می کند که احتمال دیگری وجود دارد. ممکن است ساعت مادری وجود نداشته باشد. زیست‌شناسی سلولی ممکن است به طور ساده به وسیلۀ واکنش‌های زیست شیمیایی که به طور طبیعی درون یک الگوی ریتمی گیر افتاده‌اند، پیش رفته باشد. او می گوید: من این احتمال را دوست ندارم زیرا رد کردن یا آزمایش کردنش کلا دشوار است. تنها راه واقعی برای روشن کردن مساله این نیست که به عقب برگشته و ساعت مادر را بیابیم. اما اُنیل با تاسف می گوید: «مشکل همۀ این استدلال‌های فرگشتی این است که نمی توانید آنها را بدون داشتن ماشین زمان و سفر به گذشته بیازمایید.»
فرگشت مستقل
هر پژوهشگری به فرضیه ی پراکسی رداکسین علاقمند نیست. جوزف تاکاهاشی ژنتیک دان و عصب‌شناس ساعت‌های شبانه روزی از دانشگاه مرکز پزشکی جنوب غربی تگزاس در دالاس می گوید:«آنها طرح‌هایی چشم نواز اما بدون سند هستند.» اُنیل تایید می کند که: «ما ساز و کاری نداریم. همۀ آنها مشاهداتی هستند که با مدل‌های کلاسیک ناسازگارند.» این مدل‌ها ساعتها را به عنوان ماشینی از پروتئینهای نوسانگر و پیام رسان RNA که توسط ساز و کار گریز از نور فرگشت یافته‌اند، توصیف می کنند. محور استدلال انیل این ایده است که باید یک ساعت اجدادی وجود داشته باشد به طوری که همۀ اُرگانیسم‌هایی که ساعت دارند، زمان‌سنج‌های روزانۀ خود را بر اساس آن ساخته باشند. دیگر پژوهشگران با عجله، ایدۀ “فرگشت مستقل” را کنار نمی گذارند.
سوزان گُلدن متخصص میکروبیولوژی در دانشگاه سندیگو کالیفرنیا می گوید: «من فکر نمی کنم باید تصور کنیم که ساختن یک ساعت دشوار است.» ساز و کارهای تنظیم وقت که امروزه در طبیعت دیده می شوند صرفا آنهایی هستند که در محیط پیرامون‌شان گیر افتاده‌اند. ارگانیسم‌ها ممکن است سایر زمان‌سنج‌ها یا ریتم‌ها را آزموده و رد کرده باشند. اخیرا گروه‌های تحقیقاتی مستقل دریافتند که یک کرم دریایی یک ساعت قمری، و یک شته دریایی یک ساعت جزر و مدی دارد. گروه آزمایشگاهی گلدن با ساعتی شبانه روزی از نوع سیانوباکتری ور رفته‌اند تا ببینند که این ساعت می تواند زمان را در مقیاس متفاوتی مثلا چند هفته یا ساعاتی از روز بسنجد یا نه.
مزایای جهان واقعی
اگر چه هیچکس ساعت اولیه را نیافته است، برخی از دانشمندان در مورد اینکه چرا چنین ارگانیسم‌هایی ممکن است در گام اول مفید بوده باشند، استدلال‌های فلسفی ارائه می کنند. دوری کردن از اکسیژن سمی و گریز از نور ویرانگر، تنها دلایلی نیستند که ایدۀ ساعت‌های شبانه روزی را به یک ایدۀ خوب تبدیل می کند. بعضی از پژوهشگران می گویند که مزیت داشتن یک ساعت، ممکن است واکنش‌های شیمیایی متناقض را از هم جدا نگه داشته، یا کارکرد سلول‌ها را به وسیله ایجاد یک جدول زمانی برای مولکولهای مورد نیاز در هر مرحله از واکنش‌های زنجیره‌ای شیمیایی هموارتر سازد.
تاکاهاشی می گوید:«ما متعجب هستیم چرا ساعت به جای اینکه به همه چیز اجازه دهد فقط با شیپوری شبیه به شیپور خاموشی در پادگان اداره شوند، هر روزه متابولیسم را به راه انداخته و از کار می اندازد.» او و همکارانش این ایده را که تولید چیزها در انفجارات بزرگ روشی دیکته شده از سوی ساعت با بیشترین بازده انرژی نسبت به ساخته شدن مقادیر کوچک در یک دوره ی تناوب طولانی‌تر است را آزمایش می کنند. یک شبیه‌سازی کامپیوتری در سال ۲۰۱۰ تخمین زده است که ساعت‌های شبانه روزی ممکن است ذخیرۀ انرژی کافی برای رشد ارگانیسم‌ها را ۱۵ درصد سریع‌تر کنند. با این حال، اندازه‌گیری‌ای که این مزیت ممکن در دنیای واقعی را نشان دهد دشوار است.
دامییَن مُرَن متخصص فیزیولوژی از شرکت پژوهشی گیاه و غذا در نیوزلند آزمایشی طبیعی که قبلا در حال پیشرفت بوده و آزمایش خوبی در اثبات ایده ذخیرۀ انرژی بود را برپا کرد. مُرَن و همکارانش در سوئد ماهی‌ای به نام ماهی تترای مکزیکی یا آستیاناس مکزیکینوس را برای دانستن اینکه دیدگاه انرژی محور چقدر ارزشمند است، مورد مطالعه قرار دادند. یک نمونه از این ماهی‌ها در سطح آب‌ها شنا می کند. نوع دیگری از این ماهی‌ها در غارهای پاشون در شمال شرقی مکزیکو همیشه در تاریکی زندگی کرده و فاقد چشم است. ماهی‌های درون غار ساعت‌های شبانه روزی را طوری تغییر داده‌اند به طوری که شب و روز برایشان فرقی ندارد.
مُرَن ماهی‌های شناگر سطح آب و درون غار را در لوله‌های شناور و آب در جریان بیش از مقداری که آنها در چند روز به طور آهسته شنا می کردند، قرار داد. او میزان اکسیژن مورد استفاده توسط ماهی را اندازه گرفت. همانطور که انتظار می رفت، ماهی شناگر سطح آب، در طول روز نسبت به شب اکسیژن بیشتری مصرف کرد. اما ماهی درون غار از مقدار اکسیژن یکسانی در روز و شب استفاده کرد. او به یاد می آورد که «تصور کردیم این یک ماهی ممکن است اینطور باشد. سپس ماهی دیگری را درون آب گذاشتیم. مصرف اکسیژن آن ماهی هم یکسان بود.»
ماهی‌های درون غار با نگه داشتن متابولیسم‌شان روی آهنگی ثابت در سراسر روز به جای افزایش ریتمی آن در پی چرخه‌های نور، ۲۷ درصد انرژی خود را ذخیره کردند، این تیم نتایج خود را در سپتامبر گذشته در PLOS ONE گزارش کرد. هنگامی که هر دو نوع ماهی شناگر سطح آب و درون غار در تاریکی مورد آزمایش قرار گرفتند، ماهی درون غار حتی بهتر بود و ۳۸ درصد کمتر از ماهی شناگر سطح آب انرژی مصرف کرد.
ذخیرۀ انرژی یک ماهی بدون چشم به نام تترای مکزیکی (تصویر بالا) در غار های تاریک زندگی می کند. اما ساعت شبانه روزی‌اش همیشه منطبق با روز است. یک تیک ساعت، انرژی ماهی را توسط مصرف ثابت اکسیژن حفظ می کند (نمودار پایینی در گراف فوق). اما ساعت تترای مکزیکی که در سطح آب شنا می کند، در طول روز از اکسیژن بیشتری استفاده می کند (نمودار بالایی در گراف فوق).
این کشف بدان معنا نیست که تاکاهاشی در مورد انرژی ذخیره شدۀ ساعت‌های شبانه روزی در جهان ریتمی اشتباه می کند. فقط ماهی درون غار است که در محیطی با تاریکی نسبتا ثابت زندگی می کند. او می گوید: «اگر ماهی آمادگی لازم برای پیش‌بینی یک رویداد را داشته باشد و آن رویداد اتفاق نیفتد چه چیزی هدر می رود؟» اما در جهانی که طلوع خورشید طلایی با الگویی متعارف قابل پیش‌بینی است، ساعت‌های شبانه روزی ممکن است واقعا گزینه‌های پر هزینه‌ای باشند.
فقط به این دلیل که بعضی از حیوانات در محیط‌های غیر متعارف دارای ساعت‌های بسیار متفاوتی هستند نمی توان نتیجه گرفت که زندگی بدون ریتم ایدۀ خوبی برای همه است. هِلم متخصص ساعت‌های زیستی از گلاسکو می گوید: «من در این مورد تردید دارم که به جز در شرایط عجیب و غریب، زندگی بدون ساعت بهتر است. ماهی درون غار فاقد چشم است، اما هیچ کس بر این اساس نمی تواند استدلال کند که چشم ها فاقد اهمیت هستند.» گُلدن می گوید: «ساعتها ممکن است فقط به دلیل اول عنوان شده، یعنی ایدۀ گریز از نور فرگشت نیابند. آنها بی‌تردید به وسیله محیط اطراف‌شان موجودیت یافته، و وجودشان برای حیات ضروری است.»
به گزارش بیگ بنگ، زمین با چرخش حول محور خود، ریتمی ۲۴ ساعته داشته و سطحش به صورت متناوب در معرض نور خورشید و تاریکی قرار می گیرد. ارگانیسم‌ها از جلبک گرفته تا انسان با سنجش زمان توسط ضربانِ روشنایی/تاریکی سیاره فرگشت یافته‌اند. آنها با استفاده از مهمترین زمان سنج‌های جهان، که ساعت‌هایی روزانه، یا شبانه روزی هستند، اجازه می دهند جدول زمانی روزانه‌شان به وسیلۀ طلوع و غروب خورشید غافلگیر نشود.
ساعت اصلی در مغز انسان، به وسیله هماهنگ کردن خواب و بیداری با نور خورشید ظهور یافت. اما ساعت‌های بیشتری در بدن وجود دارد. ساعت‌های شبانه روزی تقریبا در هر سلولی از بدن تیک تاک می کنند. یک ساعت در کبد و ساعتی دیگر در بافت چربی و دیگری در طهال. باربارا هلم، متخصص ساعت‌های زیستی در دانشگاه گلاسکو اسکاتلند می گوید: این ساعتها، الگوهای خواب و زمان‌های غذا خوردن را تنظیم می کنند. آنها جریان هورمون ها را کنترل کرده و پاسخ‌های بدن به مقدار قند و بسیاری از فرآیندهای زیستی دیگر را تنظیم می کنند.
بسیاری از دانشمندان می گویند که زمان سنج‌ها چنین مزیت‌های فرگشتی‌ای را عرضه کرده‌اند که گونه‌های مختلف در سراسر تاریخ، بارها و بارها آنها را گسترش داده‌اند. به غیر از مهم و متعارف بودن ساعت‌های شبانه روزی، اینکه دقیقا چرا چنین ساعت‌هایی در اولین گام از حیات پدیدار شدند، رازی عمیق و دیرپاست. بسیاری از دانشمندان طرفدار این دیدگاه هستند که ارگانیسم‌های مختلف، به طور مستقل، ساعت‌های زیستی خود را فرگشت بخشیدند. هر کدام از این ساعتها چرخۀ مخصوص به خودش را تکرار می کند. موجودات زنده این کار را احتمالا برای محافظت از دی ان ایِ آسیب پذیر و شکننده خود در برابر پرتوهای مخرب فرابنفش خورشید انجام داده‌اند. اما گروه کوچکی از پژوهشگران این طور فکر نمی کنند. آنها می گویند باید یک ساعت مادر پیش از ظهور همۀ ساعت‌های زیستی دیگر وجود داشته باشد. آن ساعت برای محافظت سلول از آسیب ناشی از اکسیژن و شاید دیگر مزایای ناشناخته محافظتی فرگشت یافت.
جلبک سبز-آبی یکی از ساده‌ترین ساعت‌های شبانه روزی را با سه چرخدندۀ پروتئینی داراست. با فرارسیدن غروب آفتاب پروتئین KaiA به پروتئین KaiC و فسفات ارغوانی کمک می کند تا به خودش تبدیل شوند. در شب، KaiB پروتئین KaiA را مسدود کرده و در سپیده دم، فسفات ها از KaiC جدا می شوند. این ساعت به فتوسنتز هماهنگ شدۀ جلبک با نور خورشید کمک می کند.
ساعت‌های زیستی اولیه ممکن است شباهتی به ساعت‌های دقیق بدن که امروزه دانشمندان آنها را مطالعه می کنند، نداشته باشند. پژوهشگران می گویند ساعت‌های اجدادی ممکن است به طور ساده همانند یک ساعت آفتابی شروع به کار کرده باشند، اما اساسی برای ساخت مکانیزم‌های پیچیده‌تر فراهم آوردند که اکنون همه چیز ما از فشار خون گرفته تا زمان خواب را کنترل می کنند.
ساعت‌های شبانه روزی چرخدنده و عقربه ندارند. آنها از مولکولهای RNA و پروتئین‌هایی تشکیل شده‌اند که به وفور نوسان می کنند. در زمان‌های خاصی از روز، پروتئینهای ساعت‌ساز معینی، تولید پیام‌رسان RNA را که سلول از آن برای ساختن دسته‌ای تازه از دیگر پروتئینهای ساعت‌ساز استفاده می کند، متوقف می کنند. در نهایت سطح آن پروتئین‌ها به آستانه ی معینی می رسد؛ سپس ساختن پیام رسان RNA را که خودشان را می سازد، متوقف می کنند. پروتئینهای خودسرکوبگر متلاشی شده یا به وسیلۀ دیگر پروتئین‌ها کم کم خورده می شوند تا سطح‌شان به زیر آستانه سقوط کند، سپس پیام نیاز به دسته‌ای دیگر از پروتئینهای ساعتی صادر شده و چرخه مجددا شروع می شود.
درست همان طوری که رولکس، تایمِکس، اسواچ و سیکو نسخه‌هایی مخصوص به خود از ساعت مچی هستند، ارگانیسم‌هایی اعم از سیانوباکتری‌ها، قارچ‌ها، گیاهان و حشرات نیز همگی اختراعات مختلف مخصوص به خودشان را از ساعت‌های شبانه روزی دارند. پروتئینهای چرخه‌ای در میان این ارگانیسم‌ها انواع مختلفی دارند همان طوری که دقت ساعت‌های دیجیتالی از ساعت‌های مکانیکی بیشتر است. اما همۀ آنها روز را با افزایش و کاهش تولید پیام رسان RNA و پروتئین علامت‌گذاری می کنند.
در مگس میوه، مقادیر چرخدنده‌های ساعت شبانه روزی یعنی پروتئین‌ها (خطوط تیره) و پیام رسان RNA (خطوط نقطه چین) به دفعات معینی در روز افزایش و کاهش می یابند. سه چرخدندۀ مهم که “ساعت‌ساز“ (بنفش رنگ)، “بدون زمان“ (خاکستری رنگ) و “دورۀ تناوب“ (آبی رنگ) نامیده می شوند، همانطور که در شبیه‌سازی کامپیوتری دیده می شود، هر ۲۴ ساعت یک فراز و فرود دارند. اگر هیچ عامل اختلالی وجود نداشته باشد، این ساعت به تولید امواجی فعال در روزهای متمادی خواهد پرداخت.
تردیدی نیست که امروزه ساعت‌های شبانه روزی باید ضمائمی برای اغلب ارگانیسم‌های زنده در سطح زمین داشته باشند. اما آیا می توان از داستان “خاستگاه گریز از نور” سر در آورد؟ بخشی از مدرک اصلی در حمایت از ایدۀ “گریز از نور” این است که سلول‌ها تمایل دارند که دی ان ای شان را در شب‌ها به طور ایمن در پناه تاریکی کپی کنند و در طول روز خرابی‌های ناشی از ذخیرۀ پرتو فرابنفش(UV) را ترمیم کنند. برخی از پروتئینهای مشابه دندانه‌های چرخدنده که ساعت‌های شبانه روزی را به حرکت وا می دارند نیز در ترمیم DNA درگیر شده و اتصالات آن را محکم تر می کنند.
عزیمت به دوران ما قبل
اُنیل یکی از دانشمندانی که در حال بازنویسی داستان خاستگاه ساعت‌های شبانه روزی است می گوید: چندین مدرک مستدل بر علیه ایدۀ گریز از نور بعنوان نیروی متعارفِ پیشران و فرگشت دهندۀ ساعت‌های شبانه روزی وجود دارد. اگر چرخه از محافظت DNA به وجود می آید، انتظار می رود چرخه فقط در جایی پدیدار شود که DNA مورد حفاظت قرار می گیرد. اما معلوم شده است که ریتم‌های شبانه روزی می توانند در لولۀ آزمایش بدون حضور DNA هم روی دهند. گونه‌ای از سیانوباکتری، یا جلبک سبز-آبی، که با نام سینِچُکُکوس اِلانگاکوس شناخته می شود، یکی از ساده‌ترین ساعت‌های شبانه روزی را داراست. این ساعت از سه نوع پروتئین با نام‌های KaiA ، KaiB و KaiC تشکیل شده است. این سه چرخدنده به همراه دو پروتئین فرعی به جلبک کمک می کنند تا با ذخیره کردن پروتئینهای مورد نیاز برای فتوسنتز و سایر فعالیت‌های مهم روزانه، برای طلوع آفتاب آماده شود.
با انداختن سه پروتئین ساعت ساز درون لولۀ آزمایش و اضافه کردن انرژی از سوی اَدِنُکسین تری فسفات که بیشتر با نام ATP شناخته می شود، ساعت به صورت ریتمی مولکولهای فسفات را از KaiC کم و زیاد می کند. تاکااُ کُندُ و تیمش از دانشگاه ناگُیا ژاپن در سال ۲۰۰۵ در مجلۀ ساینس این موضوع را گزارش نمودند. این کشف پژوهشگران ساعت‌های شبانه روزی را متحیر کرد، زیرا این مساله نشان می داد که ساعت‌های زیستی می توانند بدون DNA هم کار کنند. همچنین روشن کرد که ساعت‌های زیستی نیازی به کلید پیام رسان RNA و تولید و یا عدم تولید پروتئین جهت سنجش زمان ندارند.
جلبک‌های سبز-آبی و اجداد مرموز و نا معلوم حشرات و حیوانات، شاخه‌های مختلف درخت فرگشتی را بیش از یک میلیارد سال قبل شکل دادند. پروتئینهای ساعت ساز سینِچُکُکوس اِلانگاتوس هیچ شباهتی به پروتئینهای زمان سنج مرکزی پستانداران ندارند. لذا برخی از پژوهشگران تردید داشتند که ساعت‌های بدون DNA در سازواره‌های بسیار پیچیده‌تر نسبت به جلبک‌ها وجود داشته باشند.
اُنیل و همکارش اخیلِش رِدی از دانشگاه کمبریج فکر می کنند که ساعت‌های بدون DNA را در جای دیگری می توانند بیابند. آنها تصمیم گرفتند که ساعت‌های شبانه روزی را در گلبول‌های قرمز خون انسان که بدون هستۀ حاوی DNA است، جستجو کنند. بدون DNA این سلول‌ها پیام رسان RNA تولید نمی کنند، چیزی که برای ساعت‌های شبانه روزی کلاسیک ضروری است. با این حال، این سلول ها باز هم ریتم‌های شبانه روزی دارند. اُنیل و ردی این موضوع را در سال ۲۰۱۱ در مجلۀ نیچر گزارش کرده‌اند.
ساعت گلبول‌های قرمز خون به طور کامل با سیکل پروتئین و پیام رسان RNA در سلول‌های حاوی هسته و هماهنگ با نور خورشید، تفاوت دارد. در این سلول‌های قرمز خونی، پروتئینهای آنتی اکسیدان با نام پراُکسی ریدُکسین، موکلول‌های اکسیژن را به طور مداوم با ریتمی شبانه روزی، گرفته و رها می کنند. این عمل آنها کمک می کند تا پِراُکسید هیدروژن که محصولی جانبی ناشی از تولید انرژی طبیعی در سلول است، از بین برود. پراکسید هیدروژن و دیگر اکسیدان‌ها می توانند بسیاری از اجزای سلول را تخریب کنند، بنابراین در کنترل داشتن آنها برای بقای سلول ضروری است.
پراکسی رداکسین‌ها در انواع مختلفی از ارگانیسم‌ها، از جمله جلبک‌های دریایی با نام اُستِرُکُکوس توری یافت می شوند. اُنین و ردی با دیگر همکارانشان پراکسی رداکسین‌ها را در جلبک مورد بررسی قرار دادند. اُنین می گوید: درست مانند گلبول‌های قرمز خون، در آنجا نیز یک ریتم وجود داشت. مقدارِ مولکولهای اکسیژنِ چسبیده به پراکسی رداکسین‌ها به طور مداوم در یک چرخۀ ۲۴ ساعته افت و خیز می کرد. تیم اُنیل این کشف را در سال ۲۰۱۱ در همان شماره مجلۀ نیچر گزارش کردند.
یک سال بعد، پژوهشگران در مجلۀ نیچر گزارش کردند که چرخه‌های پراکسی رداکسین را در مگس میوه، گیاه اَرَبیدُپسیس ثالیانا، قارچی به نام نوروسپُرا کرَسا، سیانوباکتری ساینِچُکُکوس اِلانگاتوس و یک تک سلولی به نام هالُبَکتریوم سالیناروم یافته‌اند. هر ارگانیسم مظهر یک بازه‌های بزرگ مربوط به حیات است. اگر هر بازه، ساعت‌های پراکسی رداکسین مربوط به خودش را داشته باشد، آنتی اکسیدان‌ها احتمالا بسیار باستانی بوده و به میلیاردها سال پیش بر می گردند.
خطر اکسیژن
هیچکس قطعا نمی داند که ساعت‌های آنتی اکسیدان به چه دورانی بر می گردند، اما اُنیل یک بازۀ زمانی ۲/۵ میلیارد ساله در ذهن دارد. دوره‌ای که سیانوباکتری‌هایی که تازه شروع به استفاده از فوتوسنتز جهت تامین سوخت فعالیت‌های خود کرده بودند، شروع به آزاد کردن مقادیر بسیار زیادی اکسیژن در یک رویداد اکسیداسیون بزرگ کردند. در حالی که اکنون فوتوسنتز و جوِ سرشار از اکسیژن ضرورت دارد، برای اشکال حیات در دوره ی پرکامبرین، اکسیژن سم محسوب می شد. ارگانیسم‌هایی که نمی توانستند این اکسیژن آزاد شده را تحمل کنند، یا مُردند یا در اعماق دریا بی هوازی شدند. اُنیل می گوید: «سازواره‌هایی که از بین نرفتند، از عهدۀ شرایط جدید برآمدند.»
برای این ارگانیسم‌ها، در طول روز، هنگامی که فوتوسنتز صورت می گرفت، اکسیژن مشکلی اساسی به شمار می رفت. ارگانیسم‌هایی که به وسیله سیستم دفاعی آنتی اکسیدان خود با محروم کردن پراکسی رداکسین از مولکولهای اکسیژن به طوری که بتوانند پراکسید هیدروژن را زمانی که خورشید بالای افق است جذب کنند، توانستند این چالش حیات را پشت سر بگذارند. یک ساز و کار تنظیم وقت که می توانست به استقبال اکسیژن تازه وارد به جای واکنش صرف با آن برود. آن طور که اُنیل می گوید: «این یک مزیت بسیار بزرگ بود که فقط با تجهیزات لازم کامل می شد.»
مادر همۀ ساعتها یک تک سلولی به نام لوکا (LUCA) که نواده جد مشترک همۀ موجودات در گذشته بود، ممکن است ساعت شبانه روزی را توسعه داده باشد. زمان‌سنج باستانی ممکن است در جد حیوانات، گیاهان و قارچ ها در رویارویی با چالشهای محیطی پدیدار شده باشد. نمودار میله‌ای فوق مشخص می کند که ساعت‌های شبانه روزی‌ای که آنها را امروزه می شناسیم، از چه زمانی وجود داشته‌اند.
پراکسی رداکسین‌ها به مثابه چرخدنده‌های ساعت نبوده بلکه بیشتر شبیه به عقربه‌های ساعت هستند؛ مقدار افت و خیز اکسیژن در آنها معیاری برای سنجش زمان توسط یک زمان‌سنج مرکزی تاکنون ناشناخته و بسیار باستانی است. این ساعت مرموز مزیتی بود که ارگانیسم‌ها آن را در سراسر تاریخ فرگشتی‌شان حفظ کرده و در صورت نیاز آن را راه اندازی می کردند. مانند ساعتی که می تواند زمان را در اوقات مختلف اعلام و به صورت قبل از ظهر و بعد از ظهر نمایش دهد. اُنیل فکر می کند که افزون بر اطلاعات تقویمی، ساعت‌های شبانه روزی مولفه‌هایی جهت ردیابی چالشهای محیطی مختلف اضافه کرده‌اند.
پژوهشگران دیگر پیشنهاد کردند از آنجایی که پروتئینهای ساعت‌های شبانه روزی در سیانوباکتری‌ها، حیوانات و گیاهان متفاوت هستند، نیاکان این ارگانیسم‌ها باید مستقلا این ساعتها را فرگشت داده باشند. اُنیل می گوید: «با وجود اینکه چرخدنده‌های اصلی متفاوت هستند، همیشه تعداد کمی از کینازهای مشابه را می بینید که سرعت ساعت را تنظیم می کنند.»
کینازها پروتئین‌هایی هستند که مولکولهای فسفات را بر روی دیگر پروتئین‌ها نگه داشته، و آنها را برای تخریب یا تغییر عملکرد پروتئین‌ها انتخاب می کنند. اُنیل دو نوع از مهمترین کینازها که در حرکت ساعت‌های پراکسی رداکسین مهم هستند را یافته است. این دو نوع عبارتند از کازئین کیناز ۱ (CK1) و گلیکوژن سینتوز کیناز۳ (GSK3). آنها ممکن است ساعت‌های اجدادی‌ای باشند که او و دیگران به دنبالشان بودند.
حتی ارگانیسم‌هایی که ریتم های شبانه روزی نداشتند، چرخه های پراکسی رداکسین با نیروی محرکۀ کیناز دارند. اُنیل، هِلِن کاستُن از دانشگاه کلمبیا و همکارانشان این موضوع را در شماره ۲۰ آپریل ۲۰۱۵ مجله کارنت بایولاجی (زیست شناسی معاصر) گزارش کرده‌اند. مخمر نانوا یا ساکچَرُمیسِز سِرویسِی، هیچ پروتئین قابل شناسایی بعنوان پروتئین ساعت ساز و همچنین سیکل ۲۴ ساعته ندارد. این بدان معنا نیست که مخمر نمی تواند زمان را محاسبه کند. آنها تقریبا هشت نوسانگر تنفسی سه ساعته دارند که در آن آهنگ مصرف اکسیژن افزایش و کاهش می یابد. نسخۀ شیمیایی مسدود کننده مخمر از نوع CK1 سرعت نوسان مخمر را به آرامی کاهش می دهد. پژوهشگران گزارش دادند که خوراندن CK1 به موش‌ها باعث تغییر در ریتم شبانه روزی سلول‌هایشان شده است.
این یافته‌ها نشان می دهند که کینازها برای ایجاد ریتم در زمان‌سنج‌های شبانه روزی مهم هستند. پژوهشگران فکر می کنند که کینازها ممکن است به زمان‌سنج ساده‌ای شبیه به سیستم KaiA,B,C شکل داده باشند. اُنیل می گوید: «با این چرخدنده‌های ساده، ارگانیسم‌ها می توانستند چرخدنده‌های بیشتری را برای شکل‌دهی به ساعت‌هایی که ما امروزه می بینیم اضافه کنند. با این حال هنوز سندی وجود ندارد مبنی بر اینکه کینازها مولکولهای اجدادی‌ای هستند که ساعت‌های امروزی را پایه‌گذاری کردند.»
دقت تنظیم زمان کینازها، آنزیم‌هایی هستند که ممکن است چرخدنده‌هایی در ساعت شبانه روزی اولیه بوده باشند. امروزه آنها به عنوان کنندۀ ضربان برای بسیاری از زمان‌سنج‌های عمل می کنند. یک نوع از کینازها به نام Swe1 سرعت سیکل تنفسی اکسیژن را در مخمر نانوا تنظیم می کند. یک سیکل معمولا حدود سه ساعت طول می کشد (نمودار بالایی)، اما اگر یک جهش باعث حذف Swe1شود، سرعت چرخه افزایش خواهد یافت (نمودار پایینی).
اُنیل اذعان می کند که احتمال دیگری وجود دارد. ممکن است ساعت مادری وجود نداشته باشد. زیست‌شناسی سلولی ممکن است به طور ساده به وسیلۀ واکنش‌های زیست شیمیایی که به طور طبیعی درون یک الگوی ریتمی گیر افتاده‌اند، پیش رفته باشد. او می گوید: من این احتمال را دوست ندارم زیرا رد کردن یا آزمایش کردنش کلا دشوار است. تنها راه واقعی برای روشن کردن مساله این نیست که به عقب برگشته و ساعت مادر را بیابیم. اما اُنیل با تاسف می گوید: «مشکل همۀ این استدلال‌های فرگشتی این است که نمی توانید آنها را بدون داشتن ماشین زمان و سفر به گذشته بیازمایید.»
فرگشت مستقل
هر پژوهشگری به فرضیه ی پراکسی رداکسین علاقمند نیست. جوزف تاکاهاشی ژنتیک دان و عصب‌شناس ساعت‌های شبانه روزی از دانشگاه مرکز پزشکی جنوب غربی تگزاس در دالاس می گوید:«آنها طرح‌هایی چشم نواز اما بدون سند هستند.» اُنیل تایید می کند که: «ما ساز و کاری نداریم. همۀ آنها مشاهداتی هستند که با مدل‌های کلاسیک ناسازگارند.» این مدل‌ها ساعتها را به عنوان ماشینی از پروتئینهای نوسانگر و پیام رسان RNA که توسط ساز و کار گریز از نور فرگشت یافته‌اند، توصیف می کنند. محور استدلال انیل این ایده است که باید یک ساعت اجدادی وجود داشته باشد به طوری که همۀ اُرگانیسم‌هایی که ساعت دارند، زمان‌سنج‌های روزانۀ خود را بر اساس آن ساخته باشند. دیگر پژوهشگران با عجله، ایدۀ “فرگشت مستقل” را کنار نمی گذارند.
سوزان گُلدن متخصص میکروبیولوژی در دانشگاه سندیگو کالیفرنیا می گوید: «من فکر نمی کنم باید تصور کنیم که ساختن یک ساعت دشوار است.» ساز و کارهای تنظیم وقت که امروزه در طبیعت دیده می شوند صرفا آنهایی هستند که در محیط پیرامون‌شان گیر افتاده‌اند. ارگانیسم‌ها ممکن است سایر زمان‌سنج‌ها یا ریتم‌ها را آزموده و رد کرده باشند. اخیرا گروه‌های تحقیقاتی مستقل دریافتند که یک کرم دریایی یک ساعت قمری، و یک شته دریایی یک ساعت جزر و مدی دارد. گروه آزمایشگاهی گلدن با ساعتی شبانه روزی از نوع سیانوباکتری ور رفته‌اند تا ببینند که این ساعت می تواند زمان را در مقیاس متفاوتی مثلا چند هفته یا ساعاتی از روز بسنجد یا نه.
مزایای جهان واقعی
اگر چه هیچکس ساعت اولیه را نیافته است، برخی از دانشمندان در مورد اینکه چرا چنین ارگانیسم‌هایی ممکن است در گام اول مفید بوده باشند، استدلال‌های فلسفی ارائه می کنند. دوری کردن از اکسیژن سمی و گریز از نور ویرانگر، تنها دلایلی نیستند که ایدۀ ساعت‌های شبانه روزی را به یک ایدۀ خوب تبدیل می کند. بعضی از پژوهشگران می گویند که مزیت داشتن یک ساعت، ممکن است واکنش‌های شیمیایی متناقض را از هم جدا نگه داشته، یا کارکرد سلول‌ها را به وسیله ایجاد یک جدول زمانی برای مولکولهای مورد نیاز در هر مرحله از واکنش‌های زنجیره‌ای شیمیایی هموارتر سازد.
تاکاهاشی می گوید:«ما متعجب هستیم چرا ساعت به جای اینکه به همه چیز اجازه دهد فقط با شیپوری شبیه به شیپور خاموشی در پادگان اداره شوند، هر روزه متابولیسم را به راه انداخته و از کار می اندازد.» او و همکارانش این ایده را که تولید چیزها در انفجارات بزرگ روشی دیکته شده از سوی ساعت با بیشترین بازده انرژی نسبت به ساخته شدن مقادیر کوچک در یک دوره ی تناوب طولانی‌تر است را آزمایش می کنند. یک شبیه‌سازی کامپیوتری در سال ۲۰۱۰ تخمین زده است که ساعت‌های شبانه روزی ممکن است ذخیرۀ انرژی کافی برای رشد ارگانیسم‌ها را ۱۵ درصد سریع‌تر کنند. با این حال، اندازه‌گیری‌ای که این مزیت ممکن در دنیای واقعی را نشان دهد دشوار است.
دامییَن مُرَن متخصص فیزیولوژی از شرکت پژوهشی گیاه و غذا در نیوزلند آزمایشی طبیعی که قبلا در حال پیشرفت بوده و آزمایش خوبی در اثبات ایده ذخیرۀ انرژی بود را برپا کرد. مُرَن و همکارانش در سوئد ماهی‌ای به نام ماهی تترای مکزیکی یا آستیاناس مکزیکینوس را برای دانستن اینکه دیدگاه انرژی محور چقدر ارزشمند است، مورد مطالعه قرار دادند. یک نمونه از این ماهی‌ها در سطح آب‌ها شنا می کند. نوع دیگری از این ماهی‌ها در غارهای پاشون در شمال شرقی مکزیکو همیشه در تاریکی زندگی کرده و فاقد چشم است. ماهی‌های درون غار ساعت‌های شبانه روزی را طوری تغییر داده‌اند به طوری که شب و روز برایشان فرقی ندارد.
مُرَن ماهی‌های شناگر سطح آب و درون غار را در لوله‌های شناور و آب در جریان بیش از مقداری که آنها در چند روز به طور آهسته شنا می کردند، قرار داد. او میزان اکسیژن مورد استفاده توسط ماهی را اندازه گرفت. همانطور که انتظار می رفت، ماهی شناگر سطح آب، در طول روز نسبت به شب اکسیژن بیشتری مصرف کرد. اما ماهی درون غار از مقدار اکسیژن یکسانی در روز و شب استفاده کرد. او به یاد می آورد که «تصور کردیم این یک ماهی ممکن است اینطور باشد. سپس ماهی دیگری را درون آب گذاشتیم. مصرف اکسیژن آن ماهی هم یکسان بود.»
ماهی‌های درون غار با نگه داشتن متابولیسم‌شان روی آهنگی ثابت در سراسر روز به جای افزایش ریتمی آن در پی چرخه‌های نور، ۲۷ درصد انرژی خود را ذخیره کردند، این تیم نتایج خود را در سپتامبر گذشته در PLOS ONE گزارش کرد. هنگامی که هر دو نوع ماهی شناگر سطح آب و درون غار در تاریکی مورد آزمایش قرار گرفتند، ماهی درون غار حتی بهتر بود و ۳۸ درصد کمتر از ماهی شناگر سطح آب انرژی مصرف کرد.
ذخیرۀ انرژی یک ماهی بدون چشم به نام تترای مکزیکی (تصویر بالا) در غار های تاریک زندگی می کند. اما ساعت شبانه روزی‌اش همیشه منطبق با روز است. یک تیک ساعت، انرژی ماهی را توسط مصرف ثابت اکسیژن حفظ می کند (نمودار پایینی در گراف فوق). اما ساعت تترای مکزیکی که در سطح آب شنا می کند، در طول روز از اکسیژن بیشتری استفاده می کند (نمودار بالایی در گراف فوق).
این کشف بدان معنا نیست که تاکاهاشی در مورد انرژی ذخیره شدۀ ساعت‌های شبانه روزی در جهان ریتمی اشتباه می کند. فقط ماهی درون غار است که در محیطی با تاریکی نسبتا ثابت زندگی می کند. او می گوید: «اگر ماهی آمادگی لازم برای پیش‌بینی یک رویداد را داشته باشد و آن رویداد اتفاق نیفتد چه چیزی هدر می رود؟» اما در جهانی که طلوع خورشید طلایی با الگویی متعارف قابل پیش‌بینی است، ساعت‌های شبانه روزی ممکن است واقعا گزینه‌های پر هزینه‌ای باشند.
فقط به این دلیل که بعضی از حیوانات در محیط‌های غیر متعارف دارای ساعت‌های بسیار متفاوتی هستند نمی توان نتیجه گرفت که زندگی بدون ریتم ایدۀ خوبی برای همه است. هِلم متخصص ساعت‌های زیستی از گلاسکو می گوید: «من در این مورد تردید دارم که به جز در شرایط عجیب و غریب، زندگی بدون ساعت بهتر است. ماهی درون غار فاقد چشم است، اما هیچ کس بر این اساس نمی تواند استدلال کند که چشم ها فاقد اهمیت هستند.» گُلدن می گوید: «ساعتها ممکن است فقط به دلیل اول عنوان شده، یعنی ایدۀ گریز از نور فرگشت نیابند. آنها بی‌تردید به وسیله محیط اطراف‌شان موجودیت یافته، و وجودشان برای حیات ضروری است.»
داستان فرگشت ریتم‌های شبانه روزی
رمان ۹۸ | دانلود رمان
نودهشتیا,بزرگترین مرجع تایپ رمان, دانلود رمان جدید,دانلود رمان عاشقانه, رمان خارجی, رمان ایرانی, دانلود رمان بدون سانسور,دانلود رمان اربابی,
roman98.com
