Biologiset rytmit: vuorokausirytmi, päivä- ja yöaktiivisuus sekä kasvien syklit

Tutustu biologisiin rytmeihin: vuorokausirytmiin, päivä- ja yöaktiivisuuteen sekä kasvien päivittäisiin sykleihin — ymmärrä luonnon aikataulut.

Biologiset rytmit ovat elävissä organismeissa esiintyviä toistuvia toimintajaksoja. Tunnetuin esimerkki on vuorokausirytmi, joka sopii päivän ja yön kiertoon. Useimmilla eliölajeilla on luonnollisia rytmejä, jotka sopeutuvat niiden ympäristön luonnollisiin muutoksiin. Eläimet ovat aktiivisimmillaan osan päivästä ja lepäävät tai nukkuvat muina aikoina. Ne voivat olla:

• Diurnal, joka kuvaa päiväsaikaan aktiivisia organismeja.
• Yöaktiivinen, aktiivinen yöllä
• Hiipivä, aktiivinen aamu- ja iltahämärän aikana.

Myös kasvit käyvät läpi päivittäisiä syklejä. Fotosynteesissä on osia, jotka tarvitsevat valoa, joita kutsutaan valosta riippuvaisiksi reaktioiksi, ja osia, jotka voivat jatkua yöllä (valosta riippumattomat reaktiot).

Lisäksi tutkitaan monia muita tärkeitä syklejä, kuten:

Biologisten rytmien luokittelu

• Vuorokausirytmi (sirkadiaaninen) — n. 24 tunnin jakso, yleinen sekä eläimissä että kasveissa.
• Ultradiaaniset rytmit — lyhyempiä kuin 24 tuntia (esim. syke, hormonieritys, nukahtamiskierrot).
• Infradiaaniset rytmit — pidempiä kuin 24 tuntia (esim. kuukautiskierto, vuodenaikaiset lisääntymiskierron muutokset).
• Kiintoaallot ja kiertovesirytmit — esimerkiksi vuorovesikierron (tidal) vaikutus rannikkoeliöihin.
• Vuodenaikaiset eli sirkannuaaliset rytmit — siirtymät lisääntymiseen, vaelluksiin ja lepotilaan riippuen vuodenajasta.

Miten rytmit säätyvät

Monilla eliöillä rytmit ovat endogeenisiä eli ne syntyvät organismissa itsessään, mutta ne synkronoituvat ympäristötekijöiden kanssa. Tällaisia synkronisaattoreita (zeitgebers) ovat erityisesti valo, mutta myös lämpötila, ravinnon ajoittaminen ja sosiaaliset vihjeet. Eläimillä tärkein valon vastaanottaja-aivoalue on usein hypotalamuksen suprachiasmaattinen ydin (SCN), joka toimii keskusajastimena ja ohjaa unta, hormonieritystä ja lämpötilaa.

Molekulaariset mekanismit

Rytmit perustuvat usein geneettisiin palautesilmukoihin. Nisäkkäillä keskeisiä kellogeenejä ovat mm. CLOCK, BMAL1, PER ja CRY, jotka säätelevät toistensa ilmentymistä ja siten aikaistavat tai viivästyttävät solun toimintaa. Nämä geneettiset kellot löytyvät sekä aivoista että elimistöön hajautuneista kudoksista.

Kasvien rytmit ja sopeutumiset

Kasveilla vuorokausirytmi vaikuttaa mm. lehtien liikkeisiin (nyktinastia), stomata (huokoset) aukeamiseen/sulkeutumiseen, fotosynteesin tehokkuuteen ja kukinnan ajoitukseen. Valon pituus (fotoperiodi) säätelee monien kasvien kukintaa: jotkin lajit kukkivat vain pitkien päivien aikana, toiset lyhyiden. Joillain kasveilla (CAM-kasvit) hiilidioksidin sitominen tapahtuu pääosin yöllä, mikä säästää vettä kuumissa ja kuivissa oloissa.

Esimerkkejä ja ekologinen merkitys

• Päiväaktiivisia: ihmiset, monet linnut, päiväperhoset ja mehiläiset.
• Yöaktiivisia: useimmat lepakot, monet hyönteiset, pöllöt.
• Hiipiviä (aamu- ja iltahämärässä aktiivisia): peurat, jotkin linnut ja hyönteiset.

Biologiset rytmit vaikuttavat ekologiseen vuorovaikutukseen: saalistus-, ravinnonhankinta- ja pölytysaika vaikuttavat lajien välisiin suhteisiin ja ekosysteemin toimintaan. Esimerkiksi valosaaste voi häiritä yöaktiivisia lajeja ja muuttaa saalistus- tai lisääntymiskäyttäytymistä.

Vaikutus ihmisen terveydelle

Vuorokausirytmin häiriöt voivat aiheuttaa ongelmia: matkapahoinvointiin liittyvä jet lag, yötyön aiheuttamat unihäiriöt, metaboliset muutokset ja lisääntynyt riski sydän- ja verisuonitaudeille. Melatoniini on aivojen hypotalamuksen ohjaama hormoni, joka auttaa säätelemään unta ja joka erittyy pimeässä. Kortisolilla on puolestaan oma vuorokausivaihtelunsa, joka vaikuttaa vireyteen aamulla.

Tutkimusmenetelmät

Rytmejä tutkitaan käytännössä esimerkiksi seuraavilla tavoilla:

• käyttäytymisen seuranta (aktiivisuusmittarit, videointi),
• elektrofysiologia (aivoradat ja neuronien aktiivisuus),
• geeniekspression mittaukset ja kellogeenien muokkaus (mutantit),
• laboratoriokokeet, joissa olosuhteet pidetään vakiona (esim. jatkuva pimeys) rytmin endogeenisuuden osoittamiseksi.

Yhteenveto ja käytännön merkitys

Biologiset rytmit ovat kaikkialla eliökunnassa: ne auttavat organismia ajoittamaan käyttäytymistä, aineenvaihduntaa ja lisääntymistä ympäristön kiertojen mukaan. Rytmien tuntemus on tärkeää terveydelle, maataloudelle, luonnonsuojelulle ja kaupunkisuunnittelulle (esim. valosaasteen hallinta). Tutkimus jatkuu aktiivisesti, ja erityisesti molekulaarisen kellon mekanismit sekä eri lajien sopeutumat antavat uutta tietoa elämän ajastuksesta.

Lisätutkimuksen kohteita:

• Kuinka ilmastonmuutos muuttaa vuodenaikaisia rytmejä ja vaellusaikoja.
• Valosaasteen vaikutukset kaupunkiympäristöissä elävien lajien käyttäytymiseen.
• Kellogeenien rooli metabolisissa sairauksissa ja mahdollisuudet lääketieteellisiin hoitoihin.

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mitä ovat biologiset rytmit?

K: Mikä on tunnetuin esimerkki biologisista rytmeistä?

K: Millaisia erilaisia luonnollisia rytmejä eläimillä on?

K: Mitä tarkoittaa vuorokausirytmi?

K: Mitä tarkoittaa yöeläin?

K: Mitä tarkoittaa crepuscular?

K: Mitkä ovat fotosynteesin osat ja miten ne liittyvät biologisiin rytmeihin?

Hae kirjaimella