Zoals je hebt gehoord, ging de Nobelprijs voor geneeskunde of fysiologie in 2017 naar de Amerikanen Jeffrey C Hall, Michael Rosbash, Michael W Young voor hun ontdekkingen op het gebied van het circadiane ritme - het mechanisme van cellen dat de interne klok reguleert mensen, dieren en planten.
Wetenschappers zijn er bijvoorbeeld in geslaagd een gen te isoleren dat het circadiane ritme van de Drosophila-vlieg reguleert.
De interne klok is verantwoordelijk voor slaapcycli, bloeddruk, hormoonspiegels en lichaamstemperatuur. Ze beïnvloeden al het leven op aarde, van eencellige cyanobacteriën tot hogere gewervelde dieren, inclusief ons mensen.
De zon en andere Zeitgebers
De studie van interne klokken is een volledig onafhankelijke tak van de wetenschap geworden, die chronobiologie wordt genoemd.
Chronobiologie, zoals de naam suggereert, komt neer op de studie van biologische ritmes en hoe deze zich verhouden tot de omgeving: de Duitsers noemen ze tijdgebers, dat wil zeggen synchronizers.
De meest voor de hand liggende Zeitgeber is natuurlijk zonlicht en zijn cycli.
Promotie video:
Wij mensen hebben sinds onheuglijke tijden de reacties van de natuur op de toename en afname van zonlicht waargenomen, voornamelijk de manier waarop planten hun bloemen en bladeren openen en sluiten in overeenstemming met de hoeveelheid ontvangen licht.
Maar pas in de 18e eeuw kon de mens bewijzen dat het niet alleen om externe signalen ging: iets in het organisme zelf onthult het geheim van de biologische klok, die niet alleen afhangt van hoe hoog de zon aan de hemel opkwam.
Omhoog, mimosa
Een van de eersten die dit fenomeen wetenschappelijk waarnam, was de Franse astronoom Jean Jacques d'Ortous de Mairan.
Het was 1729 toen hij een mimosa-struik in het donker plaatste en merkte dat deze nog steeds zijn bladeren opent en sluit, afhankelijk van het tijdstip van de dag en of de zon ergens schijnt, wat niet dichtbij was.
Mimosa in de zon / flickr.com, Ben Blash
Hieruit concludeerde hij dat de impuls van de plant om de bladeren te openen en te sluiten eerder verband houdt met een intern mechanisme dan met een slaafse reactie op externe prikkels in de vorm van veranderingen in zonlicht.
Maar het is duidelijk dat als daglichtfluctuaties voor een langere periode uit de vergelijking worden verwijderd, de biologische klok natuurlijk vroeg of laat mis gaat.
Isolatie ondergronds
Een van de eerste wetenschappers die in onze tijd actief de invloed van de biologische klok op de mens bestudeerde, was de Franse geoloog en speleoloog Michel Siffre in de vroege jaren 60.
Dit was aan het begin van het tijdperk van de ruimtevaart en tijdens de Koude Oorlog, toen iemand geïnteresseerd raakte in de reactie van het lichaam op lange periodes van isolatie, bijvoorbeeld in een ruimtecapsule of in een schuilkelder na een atoomoorlog.
In 1962 brak de 23-jarige Sifr door met een gedurfd experiment waarin hij kon bewijzen dat wij een ingebouwde klok hebben, net als planten.
Hij isoleerde zich van de wereld van 18 juli tot 14 september 1962 in de Scarasson-gletsjergrot, die zich in de Franse Alpen op een diepte van 100 meter onder de grond bevindt.
Sifr onderhield alleen contact met de buitenwereld via de telefoonlijn, die hij altijd meldde als hij naar bed ging en bij het opstaan.
Ernstige desoriëntatie
De afwezigheid van externe prikkels en klokken maakte Sifr na verloop van tijd volledig gedesoriënteerd in termen van het verstrijken van de tijd (en, zoals hij later zelf toegaf, maakte hem bijna gek).
Sifr geloofde zelf dat hij sliep in cycli van 15 uur en dat hij het natuurlijke circadiane ritme volledig had verloren. Maar het bleek dat zijn lichaam perfect de tijd bijhield, dagenlang leefde met een gemiddelde lengte van 24,5 uur.
Nadat Sifr 63 dagen in een ijsgrot had doorgebracht, kwam hij eindelijk in het daglicht, in de veronderstelling dat het 20 augustus was op de kalender. Met andere woorden, hij verloor een hele maand in zijn hoofd.
Maar het lichaam wist wel beter. En Sifr heeft voor eens en voor altijd kunnen bewijzen dat wij, mensen, zijn uitgerust met biologische klokken.
Steeds meer wetenschappers verdiepen zich in dit onderwerp
Een paar jaar later voerde Michel Sifre nog een soortgelijk experiment uit, maar dit keer als waarnemer voor twee andere speleologen, Josie Laures en Antoine Senni. Ook zij lieten zich ondergronds isoleren, elk in hun eigen grot, zo'n honderd meter uit elkaar.
De enige mensen op het aardoppervlak met wie Lores en Senny telefonisch contact hielden, waren wetenschappers die hun slaaptijden, fysieke indicatoren en maaltijden vastlegden.
Lores en Senny hoefden niet te lijden onder luiheid, het doel van het experiment was niet om hen volledig zintuiglijke prikkels te ontnemen, ze mochten bijvoorbeeld naar muziek luisteren of een soort handwerk doen: Lores breit bijvoorbeeld.
Lores bracht 88 dagen door in haar grot, terwijl Senny 126 dagen in de hare doorbracht. Toen ze daar eindelijk uitkwamen, waren ze allebei in een relatief goede fysieke conditie, maar nog verwarrender dan Sifr na het experiment.
Antoine Senny geloofde bijvoorbeeld dat hij de grot verliet op 4 februari, toen de juiste datum 5 april was. Josie Lores was over het algemeen in goede lichamelijke conditie, maar het duurde erg lang voordat de natuurlijke slaapcyclus hersteld was.
05 april 1965. Antoine Senny (midden) verlaat de grot na 125 dagen eenzaamheid. Hij wordt begroet door Josie Lores (rechts), een andere deelnemer aan het experiment die 88 dagen in isolatie doorbracht / AP Photo
In die tijd slaagde isolatie erin om zelfs de biologische klok te misleiden.
Het bleek dat Senny in zo'n ritme viel waarin hij 30 uur achter elkaar kon slapen, hoewel hij zelf geloofde dat hij alleen ging liggen voor een licht dutje.
Doornroosje van de werkelijkheid
Recentere geïsoleerde onderzoeken hebben aangetoond dat mensen hun slaapcyclus met maar liefst 48 uur kunnen verlengen als ze niet worden blootgesteld aan externe prikkels.
Maar ook herhaalde experimenten met isolatie hebben aangetoond dat iemands interne klok, ons circadiane ritme, van nature voorkomt in een cyclus van iets meer dan 24 uur. Maar waar is deze klok, puur fysiek?
Dit alles wordt geassocieerd met een klein gebied in de hersenen - de suprachiasmatische kern van de hypothalamus. Het is ongeveer zo groot als een rijstkorrel. In de praktijk is het deze biologische klok die ons dagelijkse ritme regelt.
En het krijgt basistijdinformatie van de zon. 'S Avonds, wanneer de lichten uitgaan, stuurt het een signaal naar de pijnappelklier om melatonine te gaan produceren, wat het lichaam vertelt om naar bed te gaan.
In de zomer werkt dit mechanisme andersom, het melatoninegehalte neemt af naarmate de hoeveelheid licht toeneemt, wat onder andere de productie van prolactine bij vrouwen verhoogt, wat de vruchtbaarheid verhoogt.
Dus iedereen die in de regio van de lente-equinox is geboren, moet misschien de zomerzon bedanken, die negen maanden eerder vader en moeder in de juiste stemming bracht.
Degenen die niet zien
De suprachiasmatische kern, die onze interne klok regelt, gaat naar buiten, ontvangt een signaal van de ogen, door middel van het zicht. Maar hoe zit het met blinde mensen? Hoe wordt hun biologische klok gereguleerd?
Sterker nog, blinde mensen hebben vaak slaapproblemen en moeten melatonine slikken om de symptomen te verlichten.
Maar er is een Amerikaanse en Britse studie die aantoont dat zelfs bij een volledig blinde persoon, die de visuele cellen van het netvlies zelf heeft vernietigd, dat wil zeggen de zogenaamde staafjes en kegeltjes, het oog licht kan registreren, ook als de persoon zelf er niets van weet.
Met andere woorden, het signaal kan nog steeds de hypothalamus binnenkomen via de oogzenuw. Dus je biologische klok werkt misschien zelfs als je niets kunt zien. En hoewel onze interne klokken lange tijd geïsoleerd blijven functioneren, worden we zonder licht ziek.
Experimenten met laboratoriummuizen toonden aan dat muizen die lange tijd in het donker werden geplaatst, last hadden van symptomen die vergelijkbaar waren met die van depressie.
Gebrek aan licht vermindert de afscheiding van dopamine, beïnvloedt de bloedsuikerspiegel en tast zelfs het geheugen aan. Zowel bij muizen als bij mensen.
Deer Cunning
Toch hebben de rendieren die in het noorden van Lapland grazen alles op een slimme manier geregeld. Ze leven tenslotte in continue duisternis en vervolgens in continu licht, afhankelijk van het seizoen, dus ze moesten constant in stress verkeren.
Maar het bleek dat de biologische klok van herten iets anders werkt dan de onze. Onze interne klok zorgt ervoor dat melatonine in een relatief regelmatige cyclus van 24 uur wordt afgegeven.
Bij herten is de productie van melatonine directer gerelateerd aan de hoeveelheid ontvangen licht dan aan een genetisch bepaalde biologische klok.
Dat wil zeggen, het niveau van het hormoon stijgt als het donker is en neemt af als het licht is. Met andere woorden, herten hebben geen dagritme; we kunnen eerder zeggen dat ze een jaarlijks ritme hebben.
Hierdoor kunnen ze op hun korstmossen blijven kauwen als ze ze kunnen vinden, ongeacht het tijdstip van de dag en zonder te worden afgeleid door de interne klok die zegt dat het tijd is om te slapen.
En het lijkt erop dat dit een behoorlijk werkende optie voor hen is. Denk voor jezelf, heb je ooit een hert met een depressie gezien?
Marcus Rosenlund