T42. Biological Clocks by Fredric M. Menger, Emory University, USA

BIOLOGICAL CLOCKS by Fredric M. Menger, Emory University, USA

Biological clocks are found throughout Nature. They provide distinct timetables for many of the activities in which animal organisms, including humans, engage.

Here are some interesting examples:

1. Cyanobacteria, one of the oldest forms of life, begin making new DNA in the morning but stop when the sun reaches its highest. By following this schedule the bacteria prevent light-promoted damage to their DNA when the DNA is at its most vulnerable stage.
2. The horseshoe crab's has eyes that are a million times more sensitive to light at night than during the day.
3. Navigation of monarch butterflies during their fall migration to wintering grounds in Mexico seems to be assisted by a clock-controlled "sun compass" in the antennae.
4. Birds breeding in the Arctic know exactly when to fly south for warmer climates. They sense the on-coming winter long before it gets very cold.
5. Cycadas, an insect whose larvae live underground, suddenly emerge as adults exactly 13 or 17 years after the eggs were laid. No one knows how the insects manage to count the years.
6. Ground squirrels maintain their hibernation patterns even when the squirrels are kept under continuous light or continuous darkness.
7. In 1720 DeMairan, a French scientist and discoverer of the biological clock, found that certain plants open their flowers in the morning and close them in the evening. Since the cycle persists in total darkness, there must be some sort of biological clock regulating the behavior.

Humans also possess a biological clock. The clock controls the so-called "circadian rhythm" involved in our 24-hour sleep/wake cycle. Many people, for example, wake up at the same time every morning without the need for an alarm clock. Some details are known about the mechanism that governs at least part of the cycle. Light exposure to specialized cells in the eye's retina are relayed to the so-called SCN region of the hypothalamus (a gland roughly the size of an almond and located in the middle of lower brain). The signal is then relayed to the spinal cord and from there to the pineal gland (a gland only 1 cm in length and located near the center of the brain). To summarize: the signal goes from eye to hypothalamus to spinal cord to pineal gland. The pineal gland (sometimes called "the third eye") produces a "sleep hormone" called melatonin. Melatonin production makes us drowsy and, importantly, is stimulated by darkness but inhibited by light. Thus, when darkness sets in we become sleepy. Somehow the melatonin scheduling becomes ingrained so that one tends to become sleepy at the same time each day.

When it is 8:00 AM in the morning in Paris, it is only 2:00 AM at night in New York. This is because the sun rises 6 hours earlier in Paris. Therefore, when a New Yorker flies to Paris, goes to bed, and is woken up at 8:00 AM the next morning by an alarm clock, the person's body feels like it is still operating at New York-time, namely 2:00 AM. The resulting tiredness and lethargy, called "jet lag", becomes less noticeable over a few days as the body's biological clock (and the melatonin production schedule) gradually adjusts to the new time-frame.

RELÓGIOS BIOLÓGICOS por Fredric M. Menger, Emory University, Atlanta, GA, EUA

Relógios biológicos são encontrados em toda a Natureza. Eles programam horários distintos para muitas das atividades em que os organismos de animais, incluindo seres humanos, envolvem-se.

Aqui estão alguns exemplos interessantes:

1. Cianobactérias, uma das mais antigas formas de vida, iniciam a elaboração de novo DNA de manhã e param quando o sol atinge seu ápice. Seguindo este esquema a bactéria evita os danos que a luz pode causar no DNA, quando o mesmo está na situação mais vulnerável.
2. O caranguejo ferradura tem olhos que são um milhão de vezes mais sensível à luz na noite do que durante o dia.
3. A navegação das borboletas monarca, durante a migração de outono, para passar o inverno no México parece ser ajudada por uma "bússola solar" nas antenas que funciona como um relógio de controle.
4. Os pássaros que se reproduzem no Ártico sabem exatamente quando voar para o sul para climas mais quentes. Eles sentem a chegada do inverno antes que fique muito frio.
5. As cigarras, insetos cujas larvas vivem no subsolo, de repente emergem como adultos exatamente 13 ou 17 anos depois de os ovos serem colocados. Ninguém sabe como os insetos gerenciam a contagem dos anos.
6. Esquilos mantêm seus padrões de hibernação, mesmo quando os esquilos são mantidos sob luz contínua ou escuridão contínua.
7. Em 1720 DeMairan, um cientista francês e descobridor do relógio biológico, encontrou que certas plantas abrem suas flores durante a manhã e as fecham à noite. Já que o ciclo persiste na escuridão total, deve haver alguma espécie de relógio biológico regulando o comportamento.

Os seres humanos também possuem um relógio biológico. O relógio controla o chamado "ritmo circadiano" envolvido em nosso ciclo sono/vigília de 24 horas. Muitas pessoas, por exemplo, acordam no mesmo horário todas as manhãs, sem a necessidade de despertador. Alguns detalhes são conhecidos sobre o mecanismo que governa pelo menos parte do ciclo. Exposição à luz de células especializadas na retina do olho são informadas para a região chamada SCN do hipotálamo (uma glândula aproximadamente do tamanho de uma amêndoa e localizado na parte média da porção inferior do cérebro). O sinal é então transmitido para a medula espinhal e de lá para a glândula pineal (uma glândula de apenas 1 cm de comprimento e localizada perto do centro do cérebro). Para resumir: o sinal vai do olho ao hipotálamo daí para a medula espinhal e logo a glândula pineal. A glândula pineal (às vezes chamada de "o terceiro olho") produz um "hormônio do sono" chamado melatonina. A produção de melatonina nos deixa sonolentos e, mais importante, é estimulada pela escuridão e inibida pela luz. Assim, quando a escuridão chega nos tornamos sonolentos. De alguma forma, a programação de produção de melatonina torna-se repetitiva e a pessoa tende a ficar sonolenta, no mesmo horário cada dia.

Quando é 08h00 da manhã em Paris, é apenas 2:00 da madrugada em Nova York. Isso ocorre porque o sol aparece 6 horas antes em Paris. Portanto, quando um Nova-Iorquino voa para Paris, vai para a cama, e é acordado às 8h00 da manhã seguinte por um despertador, o corpo da pessoa se sente como ele ainda estivesse operando no tempo em Nova York, ou seja, como se fosse 02:00 da madrugada. O cansaço e letargia resultante, chamado "jet lag", torna-se menos perceptível em alguns dias, a medida que o relógio biológico do corpo (e o cronograma de produção da melatonina) se ajusta, gradualmente, para o novo horário.