השעונים הטבעיים של בעלי החיים

פורים ופסח תמיד מבשרים לנו על בוא האביב, אט אט אנחנו מפשירים מהימים הקרים ומתחילים להריח את הקיץ המתקרב. השבוע אנו מקבלים איתות נוסף לתחילתה של העונה החמה: המעבר לשעון הקיץ.

לנו יש שעונים ומחוגים כדי לדעת לדעת מתי לקום מהמיטה ומתי ללכת לישון, גם בקיץ וגם בחורף. בטבע, לעומת זאת הדברים עובדים קצת אחרת. לבעלי חיים אין מחוגים ומספרים למדידת הזמן, אז איך עדיין הפרחים נסגרים בשעות החשיכה, וחיות מסוימות יודעות מתי להתכונן לשנת החורף?

מה זה שעון ביולוגי?

שעון ביולוגי הוא מנגנון פנימי למדידת זמן שקיים אצל רוב היצורים החיים. מה שמאחד את כלל השעונים הביולוגיים הוא העובדה שהם מכוונים לפי אותות חיצוניים מהסביבה אבל פועלים עצמאית מבפנים גם בהיעדרם. אנחנו יכולים למצוא עדויות לקיומם של שעונים ביולוגיים גם ביצורים קדומים כמו פטריות וחיידקים. הם מאפשרים את התאמת האורגניזם לסביבתו ומשפיעים על מגוון תהליכים פיזיולוגיים גם ברמה המולקולרית בתוך כל תא וגם ברמת האורגניזם השלם כמו התנהגות חברתית. תמיכה נוספת לחשיבותם היא העובדה ששעונים ביולוגיים שמורים מאוד באבולוציה ומשתנים מעט מאוד בהורשה מדור לדור דרך הגנים.

יש בטבע מחזורי זמן שונים ומגוונים, קצרים וארוכים. שעונים ארוכים שנמשכים חודשים קובעים למשל את מועדי נדידת הציפורים ועונות הרבייה ושעונים לטווח של שעות ספורות קובעים למשל מחזורי שינה ועירות.

השעון הצירקדי (Circadian)

אנחנו מכירים אותו יותר בתור "המחזור היומי" והוא השעון הביולוגי הכי נפוץ ואולי גם החשוב מבין כולם. המחזוריות שלו נמשכת 24 שעות בקירוב, בדומה לסיבוב כדור הארץ סביב צירו. השעון הצירקדי מכתיב לבעלי חיים מתי ללכת לישון ומתי להיות ערים ולצמחים מתי לעשות פוטוסינתזה. השעון הצירקדי ברוב המקרים מסתנכרן על ידי חישה של שינויי אור, טמפרטורה ומזון. ביונקים, בלוטת האצטרובל במוח מפרישה הורמון שנקרא מלטונין בשעות הערב והלילה, שמסמן לגוף שהגיע הזמן ללכת לישון. מלטונין מתפרק בתגובה לאור ולכן בשעות הבוקר, הוא מפסיק לפעול ואנחנו מתחילים להיות ערים.

התקתוק הוא מבפנים

אם השעון הביולוגי מסונכרן על פי חישה של אותות מהסביבה, מה קורה כשהסביבה מפסיקה לאותת? כאן נכנסת הייחודיות של שעון ביולוגי. כפי שאמרנו קודם – השעון הוא קודם כל פנימי. במצב רגיל, המידע על האור והחושך שמגיע מהעיניים גורם בסופו של דבר לסנכרון של התאים בבלוטת האצטרובל שאחראים על ההפרשה של המלטונין. קחו אדם עיוור: אותות האור מהסביבה לא נקלטים במוח או שכלל אינם מגיעים אליו, ועדיין ברוב המקרים עיוורים ישנים בחושך וערים ביום. בתנאי אור/חושך קבועים, כמו בדוגמה של העיוורים, ההפרשה של המלטונין עדיין תתבצע במחזור של 24 שעות בקירוב. אם לפתע תנאי התאורה חוזרים להיות רגילים או במקרה שהעיוורון היה זמני– המערכת תסתנכרן עם הסביבה ותתאים את עצמה מחדש למחזור היומי הרגיל.

אני לא עייף – אני יעף

לשיבושים בשעון הביולוגי יכולות להיות השלכות הרסניות. דוגמה קלסית לכך היא תופעת היעפת המוכרת לרובנו בשם ג'ט לג. כאשר אנשים טסים למרחקים ארוכים, הרכב שעות האור והחושך ביממה שלהם משתנה וזה מוציא את השעון הביולוגי שלהם מסנכרון. כתוצאה מכך ייצור או פירוק בלתי מבוקר של מלטונין גורם לנו לחוש עייפים בשעות שאנחנו ערים או לחילופין ערניים בשעות הלילה. כתוצאה מחוסר האיזון ההורמונלי אנחנו עלולים לסבול גם מכאבי ראש, בחילות ותחושת בלבול ודיסאוריינטציה. הודות לכך שהשעון מסתנכרן לסביבה החיצונית כעבור תקופת הסתגלות קצרה, נחזור לפעילות הורמונלית תקינה.

צמיחה מתוזמנת

השעון הביולוגי של צמחים מסתנכרן בעיקר לפי השמש והטמפרטורה. התנאים האלה חשובים מאוד לצמחים בגלל הפוטוסינתזה – תהליך שבו הם מפיקים אנרגיה מאור השמש ומים. התהליך מורכב מרצף של תגובות כימיות שאפשר לחלק אותן בגסות לשניים: אלה שתלויות באור ואלה שאינן תלויות באור. בשעות האור הצמחים מנצלים את אור השמש ליצירת חומרי אנרגיה ובשעות החושך הם מנצלים את מולקולות האנרגיה הללו לתהליכי חילוף חומרים וגדילה. ולכן ל"חישת הזמן" של הצמחים יש השפעה מכרעת. מעבר למחזור היומי, קיים בצמחים גם "מחזור עונתי" והם יכולים להתאים את עצמם לעונות השנה על ידי מנגנון שחש בהתארכות שעות האור בקיץ והתקצרותן בחורף. המנגנון המדויק של מחזור זה עדיין לא ברור לגמרי.

שעון רומנטי

כפי שציינו, שעונים ביולוגיים יכולים לתקתק לפי זמנים שונים בהתאם לצרכים של האורגניזמים.

בעידן המודרני, אנחנו יכולים לראות את השפעת האדם על הטבע כמעט בכל מקום. מתברר שגם שעונים ביולוגיים לא הצליחו להתחמק מאתנו.

ראיה לכך היא תופעת זיהום האור בשוניות האלמוגים. ביקור בדרום הארץ וטיול לאורך חופי החוף הדרומי באילת יכול להמחיש את המצב בקלות. בלילה, בחופי שוניות האלמוגים אין תאורה רגילה. במקום, הפנסים בחופים מאירים באור אדום. תאורת רחוב רגילה משבשת את השעון הביולוגי של האלמוגים והקרינה של האור האדום אינה חזקה מספיק כדי לעשות זאת. לאלמוגים יש שעון ביולוגי מיוחד לרבייה שמסתנכרן לפי הירח. אלמוגים מתרבים ברבייה מתוזמנת במטרה להגביר את הסיכויים להפריה מוצלחת. במופע ירח מאוד מסוים, כ-140 מינים שונים של אלמוגים משחררים את תאי המין שלהם למים. מדובר בחלון הזדמנויות צר מאוד שבו מתבצע אירוע הרבייה ההמוני הזה. לפני כשנתיים, חוקרים מאוניברסיטת בר אילן הראו שזיהום אוויר עירוני משבש את השעון הביולוגי של האלמוגים - רבים מהם לא הסתנכרנו כראוי, פספסו את מאורע הרבייה ולא התרבו.

מסתנכרנים עם אמא טבע

אז אם שעות הפעילות שלנו ביום ובלילה הם תוצאה של שעון ביולוגי פנימי, שממשיך לתקתק במקצב מחזורי משלו, מדוע בחר האדם להתערב לאמא טבע ולהזיז את השעון קדימה ואחורה בהתאם לעונות השנה? התשובה נמצאת בגוף השאלה – אמא טבע כבר מזמן לא הבוס והיום אנחנו מנהלים את סדר היום לא לפי שעונים טבעיים אלא לפי לוחות זמנים מלאכותיים שקבענו לעצמנו. ואם כך – חובת הסנכרון מוטלת הפעם עלינו.

רוצים לדעת עוד על שעונים ביולוגיים? בואו להרצאה של ד"ר יערית אדמוביץ'-תמם במסגרת סדרת מדענים מדברים של מכון דוידסון, בטוקהאוס בנמל תל אביב ב-29 במרץ