أصل الساعات البيولوجية “بحث دقيق في تاريخ تطور الساعات البيولوجية”

تمتلك الأرض إيقاع محدد لتبادل الليل والنهار على سطحها. حيث تدور الأرض حول محورها كل 24 ساعة .
ولقد تطورت الكائنات الحية من الطحالب وحتى الإنسان لمجاراة هذا التبادل بين الليل والنهار بإستخدام أهم أدوات المحافظة على الوقت وهي “الساعة البيولوجية” . والتي تسمح للكائنات الحية لترتيب يومها بحيث لا تتعرض لشروق أو غروب مفاجئ للشمس.

يحتوي مخ الإنسان على ساعة بيولوجية رئيسية لربط ومزامنة النوم والاستيقاظ مع الضوء . ولكن يوجد ساعات أخرى . فطبقاً لـBarbara Helm (عالمة بيولوجي بجامعةGlasgow في اسكتلندا) يوجد ساعة بيولوجية في كل خلية من خلايا الجسم تقريباً.فيوجد ساعة في المخ وأخرى في الطحال وأخري في النسيج الدهني. وتقوم هذة الساعة بظبط أنماط النوم ومواعيد الوجبات اليومية , وتقوم بالتحكم في إفراز الهرمونات وتنظم إستجابة الجسم للسكر والعديد من العمليات الحيوية الهامة الأخرى.

إن إمتلاك أدوات لتتبع الوقت يقدم ميزة تطورية هامة , ولهذا قامت الكائنات الحية بتطوير هذة الألات على مر التاريخ . ولكن أكثرها شيوعاً وأهمية هو “الساعات البيولوجية” ولهذا كان ظهورها في المقام الأول لغزاً محيراً لكثير من العلماء.

يعتقد الكثير من العلماء أن الكائنات الحية المتعددة الخلايا قامت بتطوير هذة الساعات البيولوجية كل فصيل على حدة. لحماية الـ DNA الخاص بها من التعرض لأشعة الشمس فوق البنفسجية التي قد تضر به.
لكن في الناحية الأخري تعتقد مجموعة صغيرة من الباحثين عكس هذا . بأن هذة الساعات قد تطورت جميعها من ساعة – أم – واحدة ربما ظهرت للهروب من الضوء وحماية الخلايا من الضرر و لمزايا أخرى نجهلها نحن حتى الأن. وبالطبع هذه الساعة الأصلية لم تكن بدقة وتعقيد الساعات البيولوجية التي يدرسها العلماء اليوم . والتي تتحكم في كل شيئ من ضغط الدم إلى مواعيد النوم.

تتكون الساعات اليومية من جزئيات الحامض النووي RNA وأنواع أخرى من البروتين . في أوقات محددة من اليوم تقوم بروتينات معينة من بروتينات ” الساعة البيولوجية ” بتفعيل عملية إنتاج الحامض النووي RNA والذي يستخدم بواسطة الخلايا في إنتاج مجموعة أخرى من بروتينات ” الساعات البيولوجية “. وتستمر عملية إنتاج هذة البروتينات حتى تصل إلى مستوى معين يسمى بالحد الأقصى . ثم تقوم هذة البروتينات بإيقاف عملية إنتاج حامض الـ RNA الذي يقوم بإنتاجهم . ثم تبدأ هذة البروتينات في التفتت حتى تصل الى مستوى أقل من مستوى الحد الأقصى مشيرة بذلك إلى الحاجة إلى دفعة اخرى . وتبدأ هذ الدورة مرة أخرى وهكذا.
وتحتوي الكائنات الحية من بكتريا وطحالب وحشرات على أنواع مختلفة من الساعات البيولوجية . ولكنها جميعاً تستخدم نفس المبدأ في تحديد يومها عن طريق الإعتماد على معدل تدفق الحامض النووي RNA ومعدل إنتاج البروتين.

لا شك أن الساعات البيولوجية الخاصة بمعظم الكائنات الحية اليوم تمتلك بنى معقدة . ولكن هل من المنطقي تجاهل نظرية الساعة البيولوجية الاصلية ولكن هل نظرية “الهروب من الضوء” تبدو منطقية ؟

هناك دليل ئيسي لدعم نظرية “الهروب من الضوء” وهو ان الـ DNA يقوم بنسخ نفسه أثناء الليل ويقوم بإصلاح ما يتلفه ضوء الشمس أثناء الليل أيضاً. وبعض البروتينات الرئيسية التي تدخل في تركيب الساعات اليومية تدخل أيضاً في عملية نسخ الـ DNA. مما يدعم نظرية الهروب من الضوء.

“إنها فكرة جيدة ولكنها لا تتطابق مع المعلومات الحديثة” قال John O’Neill

“هناك العديد من الأدلة التي تدعم الجدال ضد نظرية الهروب من الضوء” قال O’Neill . فإذا كان ظهور الساعات البيولوجية مرتبط بحماية الـ DNA من التلف . فمن المتوقع ألا تتم هذة الدورة الا في وجود DNA لحمايته . ولكن هذه الدورة يمكن أن تحدث في أنبوبة إختبار بدون وجود أي DNA .

في عام 2005 قام العالم Takao Kondo وفريقه بإجراء تجربة على نوع من الطحالب الزرقاء معروف بإسم “Synechococcus elongatus” . هذا النوع يحتوي على أبسط الساعات البيولوجية المعروفة حيت تتكون من تلاث بروتينات رئيسية فقط وهي “KaiA,KaiB,KaiC” مع نوعين أخرين من البروتيات المساعدة . تقوم هذة البروتيات بتحضير الطحلب لشروق الشمس عن طريق إنتاج البروتينات اللازمة لعمل عملية البناء الضوئي وغيرها من الأنشطة اليومية الهامة. قام العلماء بعزل هذة البرويتنات ووضعها في أنبوبة إختبار. ثم قاموا بوضع جزئ “ATP” كمصدر للطاقة فقامت الساعة بالعمل بدقة وبإيقاع منتظم عن طريق إضافة وإزالة جزئيات فوسفات من البروتين “KaiC” . وصدمت هذه النتائج الباحثين فى مجال الساعات البيولوجية حيث أوضحت أنه ليس فقط هذه الساعات لا تحتاج للـ DNA للعمل بل أيضاً يمكنها تتبع الوقت بدون الحاجة الي تفعيل أو إيقاف عملية إنتاج الـ RNA والبروتين.

هذه البكتيريا الزرقاء وغيرها من أسلاف الحشرات والحيوانات غير المسماه كونت فروع مختلفة من شجرة التطور منذ أكثر من بليون عام مضى . والبروتينات التي تتكون منها الساعة البيولوجية الخاصة بـ “S. elongatus” تختلف إختلافاً تاماً عن تلك التي تدخل في تركيب الساعات البيولوجية الخاصة بالثدييات . ولهذ السبب يشك بعض العلماء بأن هذه الساعات اللبيولوجية البسيطة كالموجودة في البكتيريا توجد في الكائنات الحية الأكثر تعقيداً.

إعتقدا العالمانO’Neill وAkhilesh Reddy بجامعة كمبريدج أن بإستطاعتهم أن يجدوا ساعات بيولوجية بسيطة كتلك التي توجد في البكتيريا الزرقاء في كائنات أخرى , وقرروا البحث عنها في جسم الإنسان في خلايا الدم الحمراء حيث أنها لا تحتوي على نواة وبالتالي لا تحتوي على DNA وبالتالي لا تقوم بإنتاج RNA أيضاً . الذي يعتبر مكوناً أساسياً في التصور الكلاسيكي للساعات البيولوجية.

إن الساعات البيولوجية الخاصة بخلايا الدم الحمراء تختلف إختلافاً تاماً عن تلك التي تعتمد على إنتاج البروتين والRNA الموجودة في الخلايا ذات النواة . ففي خلايا الدم الحمراء يوجد مضادات أكسدة تدعى “peroxiredoxins ” تقوم بإستقبال أو إعطاء جزئيات أكسجين بإيقاع دقيق. وذلك يساعد في التخلص من جزئ يدعى “hydrogen peroxide” الذي ينتج عن عمليات تصنيع الطاقة الطبيعية التي تقوم بها الخلية . والتخلص منه أساسي لضمان بقاء الخلية حيث يقوم بإتلاف الكثير من محتويات الخلية هو وغيرة من الجزئيات المؤكسدة .

وفي عام 2001 قام O’Neill وReddy بإعلان في مجلة “Nature” بأن خلايا الدم الحمراء تحتوي على إيقاع يومي دقيق . وقاموا بإعلان أيضاً أن هناك طحلب يدعى “Ostreococcus tauri” يحتوي على نفس مضادات الأكسدة الموجودة في خلايا الدم الحمراء “peroxiredoxins” وتعمل بنفس الألية التي تعمل بها تلك الموجودة في خلايا الدم الحمراء بإيقاع دقيق على مدار اليوم .

وبعد سنة من إعلان هذا قام الباحثون بإعلان وجود هذ النوع من دورات الـ “peroxiredoxins” في ذباب الفاكهة ونبات يدعى “Arabidopsis thaliana” وفطر يدعى “Neurospora crassa” وأخر يدعى “S. elongatus cyanobacteria” ونوع من الكائنات المجهرية يدعى “Halobacterium salinarum” . أي انها توجد في جميع فروع الحياة الرئيسية .

لا أحد يعلم كحقيقة مؤكدة كم يبلغ عمر هذة الساعات البسيطة او متي بدأت بالظهور . ولكن O’Neill يعتقد أنها ظهرت منذ حوالي 2.5 بليون عام , وهو الوقت الذي بدأت فية البكتيريا الزرقاء التي بدأت مؤخراً فقط في الإعتماد على البناء الضوئي كوقود لعملياتها الحيوية , في إنتاج كميات هائلة من الأكسجين. من المعروف الأن أن الاكسجين ضروري لعملية البناء الضوئي ولكنة لم يكن كذلك للكائنات التي عاشت في العصر القبل الكمبري -عصر يبدأ منذ 4 بليون عام حتى مليون عام مضى – بل على العكس كان يعتبر ساماً لهذة الكائنات.فالكائنات التي لم تستطع أن تجد طريقة للتعامل مع الأكسجين الموجود في الجو انتهى بها الأمر بالموت أو بالتواجد عميقاً تحت سطح البحر.

ولذلك اكتسبت الكائنات التي طورت الساعات البيولوجية وقتها ميزة تطورية هامة , حيث أنها وفرت ألية أكثر فعالية بكثير للتعامل مع الأكسجين الموجود في الجو . فبدلاً من التفاعل معة فقط قامت بالتخلص منه بإيقاع دقيق على مدار اليوم.

إن مضادات الأكسدة “Peroxiredoxins ” تعمل كعقارب الساعة , فكمية الأكسجين المرتبطة بها تشير الى وقت محدد تم حفظه مسبقاً بواسطة أداة لحفظ الوقت أكثر قدماً وغير معروفة حتى الأن.هذة الأداة – الساعة الغامضة – وفرت ميزة تطورية هامة للكائنات الحية , حيث قامت بتطويرها على مر التاريخ . ويعتقد O’Neill أن الساعات البيولوجية قامت بتطوير مزايا وأدوات اخرى تساعدها فى التعامل مع تحديات بيئية مختلفة على مر التاريخ.

إقترح باحثون أخرون بناءً على أن البروتينات الداخلة في تركيب الساعات البيولوجية في البكتيريا تختلف عن تلك في النباتات والحيوانات اختلافاً تاماً , أن هذه الساعات قد تطورت مستقلة عن بعضها . ولا تشترك في سلف مشترك واحد.ولكن طبقاً لـ O’Neill, فحتى رغم إختلاف البروتينات الداخله في تكوينها إلا أنها تشترك جميعاً في نوع واحد من البروتينات يدعى “Kinases” يقوم بظبط سرعة الساعة .

بروتينات الـ “Kinases” هو نوع من البروتينات يقوم بإضافة جزئيات فوسفات لبروتينات أخرى , مسبباً بذلك في تدميرها أو تغيير وظيفتها . وقد وجد O’Neill أن إثنان من أهم هذ النوع من البروتينات وهم “CK1” و “GSK3” يدخلان في تركيب ساعات مضادات الأكسدة الـ “peroxiredoxins” حيث انها يشكلان عنصراً هاماً في ظبط سرعة هذة الساعات . ويعتقد O’Neill أن الـ “Kinases” ربما يكون هو السلف المشترك الذي نبحث عنه.

قام O’Neill من جامعة كولومبيا بنشر تقرير بتاريخ 20 أبريل في مجلة “Current Biology” يوضح بأن حتى الكائنات التي لا تحتوي على ساعات بيولوجية تحتوي على دورات يومية تعتمد على بروتينات الـ “Kinases” . فطحلب “Saccharomyces cerevisae” لا يحتوي على البروتينات الداخلة في تكوين الساعات البيولوجية . ولكنه مازال يستيطع تتبع الوقت . فهناك اوقات على مدار اليوم يرتفع فيها إستهلاك الطحلب للأكسجين وينقص بمعدل ثابت . كما وجدوا أيضاً أن إبطال مفعول بروتين “CK1 ” كيمائياً الموجود في الطحلب يقلل من معدل هذة الدورات . ونشروا أيضاً أن التلاعب كيمائياً ببروتين الـ “CK1 ” الموجود في خلية الفئران يؤثر أيضاً على معدل الساعات اليومية الموجودة في تلك الخلايا.

تقترح هذة النتائج بأن بروتينات الـ “Kinases” مهمة لظبط إيقاع الساعات اليومية . ويعتقد الباحثون بأن هذة البروتينات ربما كونت أداة قديمة بسيطة لتتبع الوقت كتلك الموجودة في البكتيريا الزرقاء التي تعتمد على بروتينات الـ “KaiA, B, C” . وأن الكائنات الحية قامت بتطوير هذة الأداة البسيطة على مر التاريخ إلى الساعات البيولوجية المعقدة الموجودة اليوم . ولكن “O’Neill” يقول أن بالرغم من عدم وجود دليل حتى الأن لدعم هذة النظرية . إلا انه يعتقد أن ال “Kinases” هي بالفعل الجزئيات التي شكلت أسلاف الساعات اليومية الموجودة اليوم.

ويعترف O’Neill بأن هناك إحتمالية أخرى , وأن هناك تفاعلات بيوكيميائية تقوم بتحريك العمليات الحيوية للخلية على أنماط بإيقاع محدد بطريقة طبيعية . لكنه لا يحبذ هذة النظرية حيث لا يمكن إختبارها بسهولة .

الجميع ليس متيم بفرضية ساعات الـ “peroxiredoxin” . فعلى سبيل المثال يعتقد “Joseph Takahashi” عالم الجينات والأعصاب بجامعة تكساس . بأن الباحثون في هذة النظرية لا يملكون أدلة تدعم فرضيتهم ولا يملكون ألية واضحة عن كيفية عمل وتطور هذه الساعات .

ويعترف”O’Neill بأنهم لا يملكون ألية فعلاً وان كل ما يملكونه هو مجموعة من الملاحظات غير متوافقة مع التصور الكلاسيكي للساعات البيولوجية. التي تصف الساعات البيولوجية كألالات تعتمد على مستوى البروتين والحامض النووي الـ RNA تطورت كألية للهروب من الضوء.

وعلى عكس O’Neill الذي تقوم فرضيته على أن جميع الساعات الموجودة الأن قد تطورت من سلف واحد . يوجد باحثون أخرون يعتقدون في التطور المستقل لهذة الساعات في الكائنات المختلفة. فتعتقد “Susan Golden” عالمة ميكروبيولوجي بجامعة كاليفورنيا بأنة لا يجب علينا أن نفترض أن بناء ساعة كان بهذ الصعوبة . وبأن الساعات اليومية الموجودة اليوم في الطبيعة هي نتاج تاريخ طويل من التجريب قامت به الكائنات الحية . حيث وجد مجموعة من الباحثين المستقلين أن دودة البحر تحتوي على ساعة قمرية بينما قملة البحر تحتوي على ساعة تعتمد على حركة المد والجزر. وتعمل الأن مجموعة علماء معمل “Golden’s ” على الساعات اللبيولوجية الموجودة بالبكتيريا الزرقاء لترى إذا كانت تستيطع تتبع الوقت على مقاييس مختلفة كالأسابيع أو الساعات بدلاً من الأيام.

على الرغم من أنه لا أحد أستطاع أن يجد الساعة الأصلية حتى الأن . يتناقش بعض العلماء عنأهمية الساعات اليومية في الأساس . فتجنب التسمم الناتج عن الأكسجين والهروب من الضوء الضار قد لا يكونا السبب الوحيد لأهمية هذة الساعات . فإمتلاك أدوات لحفظ الوقت قد يساعد الخلية على فصل التفاعلات المتناقضة , كما أنه يساعد على عمل الخلية بطريقة أكثر سهولة وفعالية . عن طريق إنتاج جدول للمنتجات اللازمة لكل خطوة في سلسلة التفاعلات البيوكيمائية.

يقوم Takahashi وفريقه ببحث فكرة أن إنتاج الأشياء بكميات كبيرة – كما تعمل الساعات اليومية – أكثر توفيراً للطاقة من إنتاج كميات صغيرة على فترات كبيرة . وفي عام 2010 قام برنامج محاكاة بإثبات أن الساعات اليومية تقوم بتوفير طاقة تسمح لنمو الكائنات الحية 15 % أسرع من المعدل الطبيعي ولكن قياس مثل هذا المعدل في الطبيعة قد يكون صعباً .

وجد عالم الفسيولوجي Damian Moran بشركة Plant & Food Research بنيوزيلندا تجربة تحدث طبيعياً وفي تقدم بالفعل . يمكن أن تكون أداة جيدة للتأكد من فكرة توفير الطاقة .

قام Moran وزملاء من السويد بدراسة سمكة تدعى ” Mexican tetra” لدراسة كمية الطاقة التي تستهلكها الرؤية في هذا النوع من الأسماك . حيث يوجد نوع من هذة الأسماك يعيش على سطح الماء بينما نوع أخر يعيش فى كهوف Pachón بالمكسيك في ظلام دائم ولا يمتلك أعين . ولا يمتلك الساعات اليومية التي تعمل بالنهار.

قام Moran بوضع كلاً من سمكة السطح وسمكة الكهف في أنابيب إختبار وقام بغمرها بالماء حيث تقوم بالسباحة ببطئ على مدار عدة أيام . ثم قام بقياس كمية الأكسجين التي قامت كل سمكة بإستهلاكلها . وكما هو المتوقع إستهلكت سمكة السطح كمية أكسجين خلال النهار أكثر من الليل ولكن سمكة الكهف إستهلكت نفس الكمية من الأكسجين خلال النهار والليل.

عن طريق الحفاظ على معدل ثابت من التمثيل الغذائي بدلاً من إستخدام إيقاع منتظم حسب الضوء. إستطاعت سمكة الكهف توفير 27 % من الطاقة . وأعلن الفريق في سبتمبر الماضي في “PLOS ONE” أنه عندما تم إختبار كلاً من سمكة السطح وسمكة الكهف في الظلام , قامت سمكة الكهف قامت بإستهلاك 33% من الطاقة أقل من سمكة السطح.

ولكن هذا لا يعني أن “Takahashi” مخطئ فسمكة الكهف تعيش في ظلام دائم فمن المنطقي ألا تتبع إيقاع محدد للنهار والليل .

“فقط لمجرد أن بعض الكائنات تطورت في ظروف متطرفة وقامت بتطوير ساعات يومية مختلفة جذرياً عن باقي الكائنات , لا يعني أن العيش بدون إيقاع فكرة جيدة لجميع الكائنات ” قال Helm عالم البيولوجي من Glasgow . فسمكة الكهف لا تمتلك أعين ولكن لا أحد يمكن أن يجادل حول أهمية الأعين بالنسبة لباقي الكائنات.

“ربما تطورت الساعات اليومية لأكثر من سبب واحد . ربما تطورت في العموم حتى لا تقوم البيئة بخداعنا” قالت Golden.