Cercetările dezvăluie cum ceasul biologic rămâne pe drumul cel bun, în ciuda schimbărilor de temperatură

Ritmurile circadiene reglează ciclurile somn-veghe la oameni și alte organisme, păstrând o periodicitate de aproximativ 24 de ore chiar și în absența semnalelor externe. Studiul publicat în PLoS Computational Biology investighează modul în care distorsiunea formei de undă a ritmurilor genetice contribuie la două fenomene esențiale ale ceasului biologic: compensarea temperaturii și sincronizarea cu ciclul lumină-întuneric. Autorii folosesc metoda renormalization group pentru a analiza aceste fenomene în modelul Goodwin.
Compensarea temperaturii este capacitatea ceasului circadian de a-și menține perioada constantă în ciuda variațiilor de temperatură. Diverse ipoteze au fost propuse pentru a explica acest fenomen, inclusiv:

• Ipoteza echilibrului: un balans între reacții care scurtează și cele care prelungesc perioada.
• Ipoteza reacției critice: unele reacții-cheie sunt insensibile la temperatură.
• Ipoteza amplitudinii: amplitudinea mai mare a oscilațiilor compensează variațiile de reacții.
• Ipoteza formei de undă: distorsiuni specifice în forma de undă a ritmurilor genetice asigură stabilitatea perioadei.

Totodată, sincronizarea cu ciclul de 24 de ore al luminii este vitală pentru adaptarea la mediul înconjurător. Însă, cum afectează distorsiunea formei de undă această sincronizare, în special la temperaturi variate, rămâne insuficient înțeles.

Despre studiu

Modelul matematic utilizat

Studiul folosește modelul Goodwin - un model clasic cu trei componente (ARN mesager, proteine, și proteine fosforilate) - care implică feedback negativ asupra transcripției genetice. Autorii presupun că toate ratele de reacție cresc odată cu temperatura, conform legii Arrhenius. Pentru a evalua distorsiunea formei de undă, este definit un indice numit non-sinusoidal power (NS), bazat pe coeficienții Fourier ai semnalului genetic.

Metoda RG (Renormalization Group)

Prin aplicarea metodei RG, autorii obțin soluții aproximative valabile global pentru ecuațiile diferențiale care descriu oscilațiile circadiene. Acest instrument, derivat din fizica teoretică, permite reformularea soluției ca „umbrelă” a soluțiilor locale perturbative și oferă perspective analitice asupra relației între distorsiunea formei de undă și stabilitatea perioadei.

Analize numerice

Au fost generate 4900 seturi de parametri pentru simulări numerice. Pentru 34 dintre acestea, perioada rămâne relativ constantă la creșteri de temperatură (compensare), iar valorile NS cresc semnificativ, indicând o distorsiune accentuată a formei de undă. De asemenea, s-a constatat că această distorsiune este asociată cu o sincronizare mai dificilă la ciclurile lumină-întuneric.

Rezultate

1. Compensarea temperaturii prin distorsiunea formei de undă

Analiza arată că, pentru ca perioada să rămână constantă în fața reacțiilor accelerate de temperatură, forma de undă a semnalului genetic trebuie să devină mai distorsionată - cu creșteri mai abrupte și „cozi” mai lungi ale oscilației. Această concluzie este susținută atât teoretic, prin metoda RG, cât și numeric.

S-a demonstrat că în regiunile unde perioada se menține stabilă, parametrul de fază din armonica a doua scade, sugerând o schimbare sistematică a profilului temporal: faza de creștere devine mai abruptă, iar cea de descreștere mai lentă.

2. Confirmare experimentală

Date experimentale din Drosophila și șoareci confirmă predicțiile teoretice. Analiza semnalului genei atemporale în musculița de oțet arată că indicele NS este semnificativ mai mare la 29°C comparativ cu 18°C (p < 0,001). Aceeași tendință este observată în celulele fibroblaste embrionare de șoarece pentru semnalul Per2-luc.

3. Sincronizarea și efectul distorsiunii

Pe măsură ce forma de undă devine mai distorsionată, gama de frecvențe externe care pot sincroniza ritmul intern - așa-numita „Arnold tongue” - se îngustează. Astfel, sincronizarea cu ciclurile zi-noapte devine mai dificilă la temperaturi crescute. Acest rezultat explică descoperiri anterioare conform cărora răspunsul ritmului circadian la pulsații de lumină este diminuat la temperaturi mai mari.

4. Generalizarea rezultatelor

Validitatea ipotezei este confirmată și pentru modele mai complexe decât modelul Goodwin. Modelele Zhou (190 variabile) și Relógio (19 variabile) indică aceeași corelație între distorsiunea formei de undă (NS) și stabilitatea perioadei la creșteri de temperatură. Astfel, ipoteza formei de undă pare a fi un mecanism universal.

Concluzii

Acest studiu demonstrează că distorsiunea formei de undă este un mecanism central prin care ceasul circadian își menține stabilitatea perioadei în fața variațiilor de temperatură, dar în detrimentul capacității de sincronizare cu mediul. Aceste descoperiri oferă o viziune unificată asupra teoriilor existente și pot ghida investigații viitoare în genetică, neuroștiințe și cronobiologie aplicată.

Importanța formei de undă transcende biologia circadiană, având implicații și în modele matematice din ecologie și neuroștiințe (ex. Lotka-Volterra, FitzHugh-Nagumo), sugerând o valoare fundamentală a acestei proprietăți oscilatorii în sisteme biologice complexe.