KRONOBİYOLOJİ 

Canlıların bir çok biyolojik faaliyetlerinde belli bir ritmin gözlendiği çok eski zamanlarda farkedilmiştir. Ne var ki, biyolojik ritimlerin başlı başına bir bilim dalı olması ancak ondokuzuncu yüzyılın sonlarına rastlar. Bu gün bildiğimiz anlamda, biyolojik ritimleri ve onları yöneten etkenleri araştıran blim dalı Kronobiyoloji olarak bilinir.

Kronobiyoloji, biyolojik ritimlerle ilgilenir. Ritim genel olarak, periyod, sıklık, büyüklük ve faz gibi özellikler gösteren, tekrarlayıcı karakterdeki olaylar olarak tanımlanabilir. Ritimlerin bu özelliklerinin kısa tanımları ise şu şekilde yapılabilir:

• PERİYOD: Ritmin bir döngüsü için geçen zaman.

• SIKLIK (Frequency): Birim zamanda tekrarlayan döngü sayısı.

• GENLİK (Amplitude): Ortalama değerden sapma miktarı.

• EVRE (Phase): Ritmin kendine has özellikler gösteren kısmı (başlama, bitiş evreleri gibi) (Şekil.1)

Şekil 1: İki biyolojik fonksiyonunun ritmleri arasında gözlenen faz ilişkileri ve ritim özellikleri.

Canlıların yürüttüğü biyolojik fonksiyonların ritimleri, genellikle çevre şartlarından döngüsel özellikler gösterenlerle eşzamanlı olarak yürür. Eğer bir canlı engelsiz bir şekilde dış ortamla ilişkili ise ve ritimlerini dış dünyadan gelen uyarılara göre düzenleyebiliyorsa, böyle ritimlere bağlı (entrained) ritimler denir. Bunun yanında, eğer canlı laboratuar ortamında, çevresel işaretlerden yalıtılmış bir biçimde yetiştirilirse, bu durumda tam olarak çevresel işaretlerle tutarlı olmasa da bir iç ritmi sürdürdüğü görülür. Bu tip ritimlere de serbest (free-running) ritimler denir.

Canlının çevreden aldığı sinyallerin bir kısmı, ritimlerini düzenlemesi için bir işaret görevi yapar. Örneğin, ışık ve karanlık, canlının gece ve gündüz göstereceği faaliyetleri ayarlaması için çevresel bir işaret olarak kullanılır. Bunun gibi çevresel işaretlere, zeitgeber (almanca, zeit=zaman, geber=vermek) veya "ritim verici" denir. Bu ritim verici faktörler, ayın devri, yılın mevsimleri, güneşin durumu vb. olabileceği gibi, bunların arasında en önemlisi ışıktır.

Şekil 2: Laboratuar hayvanlarındaki LH seviyelerinin saatlik, günlük ve yıllık dalgalanmaları. Saatlik dalgalanmalardaki sıklık ve genlik değişiklikleri günlük değişikliklere; günlük ritimlerdeki değişiklikler ise yıllık dalgalanmalara neden olur.

BİYOLOJİK SAAT ÇEŞİTLERİ:

Genel adlandırmaya göre, temel biyolojik saat çeşitleri aşağıda listelenmiştir. Sirkadian ritmin altında görülen sirkaseptan, sirkatrivijintan gibi isimlendirmeler, daha ziyade tıbbi terminolojide kullanılmaktadır.

Tablo 1.

• Sirkadian (Dünyanın dönüşü) 24 saat 22-26 saat

  • Ultradian <20 saat

  • İnfradian >28 saat

  • Sirkaseptan 7±3 gün

  • Sirkadiseptan 14±3 gün

  • Sirkavijintan 21±3 gün

  • Sirkatrivijintan 30±5 gün

• Sirkatidal (Gel-gitler) 11-14 saat

• Sirkalunar (Ayın evreleri) 26-32 gün

• Sirkannual (Yılın mevsimleri) 330-400 gün

Tablo 2. İnsanlarda Gözlenen Ritim Örnekleri

RİTİMLERİN İÇ ve DIŞ KONTROLÜ

Biyolojik ritimlerin, canlının içinden bir mekanizma tarafından mı yoksa dışarıdaki işaretlere göre mi ayarlandığı konusundaki tartışmalar spekülatif düzeyde uzun yıllar boyu devam etmiştir. Canlılardaki ritim mekanizmasının iç bir kaynaktan yönetildiğine dair ilk deneysel kanıt, Jean Jacques De Marian (1729) adlı araştırıcıdan gelmiştir (Şekil 3). Bu araştırıcı heliotropik (güneşte yaprak veya çieklerini açıp, karanlıkta kapatan) bitkilerde yaptığı çalışmalar sonucu, bu bitikilerdeki ritimlerin, ışık olmasa da faaliyet gösterebildiklerini kanıtlamıştır. De Marian ünlü deneyinde, heliotropik bir bitki türünün iki örneğinden birini tamamen karanlıkta, bir diğerini de normal güneş gören bir yerde muhafaza etmiştir. Bir süre sonra, karanlıkta yetişen bitkinin de aynı güneşteki türdaşı gibi, gündüz vakti yapraklarını açıp, gece kapattığını gözlemlemiştir.

Şekil 3: De Marian'ın deneyinin şematik gösterimi

Günümüzde, biyolojik ritimleri yöneten saatlerin, canlıların iç dinamiklerinde saklı olduğunu biliyoruz. Saatlerin canlıdaki yeri konulu tartışmalar, De Marian'ın deneyinden sonra, belirsiz jeofiziksel güçlerin varlığına kaymış ve bu tip ölçülemeyen güçlerin canlıları etkileyerek, ritimleri düzenleyebileceği tezi ortaya atılmıştır. Bu gün, üç temel kanıttan yola çıkarak, böyle bir mekanizmanın en azından bilinen biyolojik ritimler için geçerli olmadığını biliyoruz:

1. Uzay araçları ile yörüngeye gönderilen hayvanların, (yerçekimi dahil) tüm jeofiziksel kuvvetlerden uzakta olmalarına rağmen, normal ritimler göstermeye devam etmeleri;

2. Özellikle laboratuar şartlarında aynı ortamda, hatta yan yana kafeslerde yetiştirilen deney hayvanlarının, aynı ortamda bulunsalar da, hafifçe farklı biyolojik ritim fazları sergilemeleri;

3. Ritimsel davranış gösteren doku parçalarının aktarımı (transplantasyon) sonrasında, alıcı canlının ritminin, verici canlının önceden gösterdiği ritme uyması.

Şekil 4: Farklı canlılardaki çeşitli biyolojik olayların görülme sıklıkları ve sergiledikleri ritimler (ölçü barlarında gösterilen periyot uzunluklarına dikkat ediniz). 

Şekil 5: Hamsterlerde biyolojik ritimlerin ölçülmesinde kullanılan laboratuvar düzeneği. Nokturnal (gece aktif) hayvanlar olan hamsterler, geceleri (karanlıkta) lokomotor aktivite gösterip, gündüzleri (aydınlıkta) dinlenirler. Bu canlıların aktivite göstermesi için kafesleri içine bir koşma tekerleği konur ve bu tekerleğin dönüşleri bir ara birim aracılığıyla yazdırıcı bir bilgisayara bağlanırsa (üstte), hayvanın gün boyu bu tekerleği kullanarak yaptığı lokomotor davranışlar, grafik kayıtlar halinde elde edilir. Normal bir ışık-karanlık döngüsünde yetiştirilen bir hasterin tipik lokomotor kayıtları şekildeki gibidir (ortada, ayrıca bkz. Şekil.5). Eğer bu kayıtlar grafiğe dökülecek olursa, hayvanın lokmotor aktivitesinin, geceleri, gündüze oranla çok dah fazla olduğu görülebilir (altta). Bu ve benzeri düzenekler, kronobiyoloji laboratuarlarında sıkça kullanılan düzeneklerdir.

Şekil 6: Bir hamsterden alınmış ritim döngüsü kayıtları. İl başta, hayvan normal ışık karanlık döngüsünde tutulmaktadır ve lokomotor aktivite, karanlık bölgede yoğun olacak şekilde normal bir dağılım gösterir. Işık-karanlık döngüsü 4 saat kadar ileri alınıp o şekilde devam ettirilirse (ok ile işaretli nokta), bu noktadan sonra hayvanın hemen yeni ritme adapte olduğu görülür. Grafiğin alt kısmında ise, ışık- karanlık döngüsü ortadan kaldırılmış ve sabit bir soluk ışık düzeni yerleştirilmiştir. Bu durumda, hamsterin gösterdiği ritimler yaklaşık 24 saatlik olup, günden güne ilerleme göstermektedir ki, bu durum, serbest (free-running) ritimlerin genel bir özelliği olarak karşımıza çıkar.

EVRE CEVAP EĞRİLERİ

Dış uyarılardan izole halde yaşatılan hayvanlarda, serbest ritimlerin oluştuğundan bahsetmiştik. Bu tip serbest ritimlerde, canlının ritimlerini sürdürebilmesi için bir gece ve gündüz referansına ihtiyacı vardır. İşte bu referanslar, canlının içsel saatleri tarafından sağlanan "içsel (subjective) gece" ve "içsel gündüz"dür.

Serbest ritim gösteren canlılardaki içsel gece ve gündüz kavramı, çeşitli zaman belirleyici etkenlerin o ritim üzerine etkisini belirlemek için kullanılır. Özellikle bir çevresel sinyal unsurunun değişiminin, ritim evrelerini nasıl etkilediği, evre-cevap eğrileri hazırlanarak görülebilir (Şekil 7).

Şekil 7: Evre cevap eğrisi hazırlanması. A'dan E'ye kadar, serbest ritim gösteren bir deneğin günlük serbest ritim kayıtları sembolize edilmektedir. İçi boş kare ile belirtilen noktlarda, serbst rtimin belli noktalarına denk gelecek şekilde bir saatlik bir ışık uyaranı verilmiş ve bu uyaranların ritimde nasıl bir değişmeye sebep olduğu gösterilmiştir. A'da, ışık uyaranı, içsel günün ortasında verilmiş ve herhangi bir ritim değişmesine neden olmamıştır. Bu nokta, ışık uyaranı için "ölü bölge"dir. B'de, ışık uyaranı, içsel günün bitimine yaklın verilmiş ve izleyen günlerdeki ritimlerde 1 saatlik bir gecikme oluşturulabildiği görülmüştür. C'de,öznel gecenin ilk saatlerinde verilen ışığın, izleyen günlerde 3 saatlik bir gecikmeye neden olduğu görülmektedir. D'de ise, içsel gecenin daha ileri saatlerinde verilen bir ışık, izleyen günlerdeki ritmi dört saat kadar ileriye alarak oldukça belirgin bir etki yapmaktadır. Nihayet E'de, içsel gecenin sonuna doğru verilen ışık uyarımı, izleyen ritimlerde iki saatlik bir erken başlangıca neden olur. Bu şekildeki ölçümlerin, şeklin altında görüldüğü gibi bir evre-cevap eğrisine dönüştürülmesi, yapılacak bir müdahalenin rtimi nasıl etkileyeceğine dair bir çizelge sağlar. Buradaki örneğe göre, ritmi erkene almakta en etkili ışık uyaranı verme zamanı, içsel gecenin ortasından sonrası bir zamanken, geriye almak için en etkili zaman, içsel gecenin ortasından önceki saatlerdir.