Chiunque abbia sperimentato il jet lag conosce il potere dell'orologio biologico. Quasi tutti gli organismi, dall'uomo al più piccolo dei batteri, hanno un sistema integrato che dice loro se è ora di riposare o di essere attivi. La maggior parte degli orologi biologici "ticchetta" autonomamente, ma alcuni batteri dipendono dalla luce per sincronizzare il loro orologio ogni giorno. Utilizzando calcoli matematici, i ricercatori di AMOLF e dell'Università del Michigan hanno ora dimostrato che un orologio autonomo soffre molto meno del rumore, come le fluttuazioni della luce solare dovute alle nuvole. I risultati della ricerca sono stati pubblicati online il 14 agosto, 2018, nella rivista scientifica Lettere di revisione fisica .

Praticamente tutti gli organismi hanno un ritmo giorno-notte, con cui mangiano e dormono in momenti fissi della giornata, Per esempio. Questo ritmo è dettato dalle concentrazioni proteiche nelle cellule dell'organismo che oscillano nell'arco di 24 ore. Questi comprendono l'orologio circadiano.

Disritmia

Nella maggior parte delle specie, l'orologio circadiano non dipende da segnali esterni come luce e oscurità. "Se dovessi confinare persone o animali in una stanza senza luce, allora avrebbero ancora bisogno di dormire o mangiare in un ritmo di circa 24 ore. Tuttavia, il nostro orologio biologico è sensibile alla luce e all'oscurità, "dice Pieter Rein ten Wolde, che guida il gruppo Biochemical Networks presso AMOLF. "Il periodo di circa 24 ore è impostato, ma le fasi possono cambiare. Se viaggiamo dall'altra parte del mondo, poi abbiamo bisogno di tempo per adattarci:questo è il noto fenomeno del jet lag. Però, cogliamo rapidamente il ritmo spostato giorno-notte del nuovo ambiente."

Alcuni batteri, però, avere quello che i biologi chiamano un orologio a clessidra. Questi orologi devono essere reimpostati con la luce ogni giorno. Se ciò non accade, poi l'orologio smette di ticchettare. Ten Wolde:"Tali orologi a clessidra si trovano in alcuni tipi di cianobatteri, le alghe azzurre che ora inquinano l'acqua di balneazione in molte località. Altre specie di cianobatteri hanno un orologio biologico autonomo, anche se. Con l'aiuto di modelli matematici, abbiamo studiato qual è il vantaggio degli orologi circadiani autonomi".

modellazione

I ricercatori hanno scoperto che l'effetto del rumore differisce per i due tipi di orologio. Per un orologio biologico, variazioni dell'intensità della luce solare dovute alle nuvole, Per esempio, sono un'importante fonte di rumore. "Abbiamo scoperto che gli orologi autonomi sono molto meno sensibili a tale rumore, " dice Ten Wolde. "Possiamo modellare un orologio a clessidra come un pendolo. Finché un segnale esterno lo guida, rimane in movimento. Un robusto meccanismo di azionamento garantisce oscillazioni di grande ampiezza e quindi una migliore indicazione del tempo. In caso di accoppiamento forte, però, vengono amplificate anche le piccole variazioni del segnale in ingresso, il che rende più difficile dire l'ora con precisione. Al contrario, un accoppiamento debole limita l'influenza del rumore, ma con un accoppiamento così debole, è difficile mantenere le oscillazioni, in altre parole il movimento del pendolo."

È quindi impossibile ridurre al minimo l'effetto del rumore nel caso di un orologio a clessidra. Orologi autonomi, d'altra parte, continuare a oscillare bene senza la necessità di un meccanismo di azionamento esterno. Per questi orologi, è sufficiente un debole accoppiamento con la luce esterna per azzerare l'orologio in caso di grandi variazioni del ritmo giornaliero, come un viaggio in un altro continente. Di conseguenza, gli orologi autonomi sono molto meno ostacolati dal rumore e sono più robusti. "Abbiamo trovato questo risultato sia nei modelli che abbiamo sviluppato specificamente per gli orologi biologici dei cianobatteri, sia in un modello matematico più generale per gli orologi, "dice Ten Wolde. "L'affidabilità in caso di rumore esterno è probabilmente il motivo per cui tutti gli organismi superiori hanno un orologio biologico autonomo. Il motivo per cui gli orologi a clessidra si trovano ancora in natura rimane poco chiaro. Sebbene questi siano svantaggiati in caso di rumore esterno, gli orologi a clessidra possono offrire un vantaggio se c'è molto rumore all'interno dell'organismo."