به گزارش گروه اجتماعی برنا؛ هر انسان جزئی از ساختار طبیعت است. طبیعت رفتار دوره‌ای دارد که این دوره‌ها روی فیزیولوژی انسان‌ها اثرات تعیین‌کننده‌ای دارند. به‌تازگی علم فیزیولوژی به ریتم‌های ساعت بیولوژیکی بدن، که هر کدام عملکرد ویژه‌ای از بدن را تنظیم می‌کند، پی برده است. مهم‌‌ترین ریتم درونی ما همان چرخه‌ی ۲۴ ساعته‌ای است که بسیاری از فرایندهای مهم مانند درجه‌ی حرارت بدن، تولید هورمون و سایر مواد زیست‌شیمیایی و عملکرد سیستم عصبی مانند گرسنگی، خوابیدن، بیدار شدن و دفع کردن را مشخص می‌کند. همچنین ریتم‌های ماهانه و فصلی هم داریم که عادات ماهیانه‌ی زنان و عادات بیوریتم مردان، نمونه‌ای از آن‌ها است.

بعضی از این چرخه‌ها با جزر و مد دریاها و حتی فراتر از جهان، با کیهان در ارتباط است که عامل فراز و نشیب‌های جسمانی و عاطفی ما هستند. ساعت زیستی یا ساعت بیولوژیکی، چرخه‌‌ای تقریبا ۲۴ ساعته در فرایندهای زیست شیمیایی، فیزیولوژیکی یا رفتاری موجودات زنده (گیاهان، جانوران، قارچ‌ها و سیانوباکتری‌ها) است. اختلال در ساعت زیستی انسان می‌تواند زمینه‌ساز بیماری‌های بسیاری شود. تنوع دوره‌های فعالیت‌های زیستی در موجودات زنده برای فرایندهایی بسیار ضروری انجام می‌گیرد که در جانوران شامل خوردن، خوابیدن، تولید مثل، مهاجرت، خواب زمستانی و تقسیم یا باززایی سلول‌ها و در گیاهان شامل جنبش‌های جوانه‌زنی و واکنش‌های فوتوسنتزی است.

در میان دوره‌های گوناگون مهم‌ترین دوره، دوره‌های شبانه‌روزی است که به ریتم شبانه‌روزی هم معروف است. فعالیتی که در زمان مشخصی انجام می‌گیرد، می‌تواند تعادل و انرژی را افزایش دهد و در عین حال اگر همین فعالیت در ساعت دیگری انجام شود باعث بی‌تعادلی و خستگی می‌شود. به‌عنوان مثال بهترین ساعت جذب مواد غذایی در بدن، ساعت ۸ شب تا ۴ صبح و بهترین ساعت دفع از ساعت ۴ صبح تا ۱۲ ظهر است. چرخه‌های روزانه هر ۲۴ ساعت به دو نیمه تقسیم می‌شود یعنی روز و شب؛ که هر کدام شامل سه دوره‌ی چهارساعته برای خوردن، خوابیدن و دفع کردن می‌شوند.

تأثیر این دوره‌ها در محیط کاملا مشخص است؛ غروب پس از اتمام کار، احساسی از میل به سکوت تجربه می‌شود؛ به‌گونه‌ای که تمام طبیعت آرام می‌گیرد. هنگام شب، علاقه به نشستن و استراحت کردن زیاد است. البته ممکن است در مناطق شلوغ شهری این سکوت را نتوانید درک کنید. بهترین زمان صرف شام ساعت ۶ بعد از ظهر یا ساعت ۷ است زیرا برنامه‌ی گوارش حداکثر تا ساعت ۱۰ شب به اتمام برسد. چون هضم غذا باعث افزایش سوخت‌وساز بدن می‌شود، خواب را مختل می‌کند. ضمن اینکه ساعت خواب در شب بستگی به فعالیت‌های روزانه دارد.

سات زیستی

حدود ساعت ۱۰ شب بهترین زمان برای خواب است. اگر خوابیدن را در این زمان به تعویق بیاندازید، خود را از یک استراحت خوب که باعث ترشح هورمون‌ها و جذب مواد مغذی خوب می‌شود، محروم کرده‌اید. با برهم زدن این چرخه، موقع بیداری، احساس خستگی و کسالت می‌کنید. خواب می‌تواند منبع مهم انرژی و تعادل وزن باشد. نکته مهم دیگری که به‌همین اندازه اهمیت دارد، زمان بیدار شدن در طلوع خورشید حدود ساعت ۶ صبح است. اگر در این زمان بیدار شوید، ذهن و جسم شما تحت تأثیر احساساتی مثل سبکی، چالاکی، شور و اشتیاق، شادابی و نشاط است.

در میان دوره‌ها، مهم‌ترین دوره دوره‌های شبانه‌روزی است که به ریتم شبانه‌روزی هم معروف است

به‌همان اندازه که انسان‌ها باید به خوردن و ورزش کردن کافی توجه کنند باید ریتم‌های شبانه‌روزیشان را نیز در نظر داشته باشند. گزارش‌های تازه نشان داده است که بیدار ماندن بعد از رسیدن زمان خواب باعث چاقی می‌شود. از زمان پرداخته شدن فرضیه‌ی ژان‌ژاک اورتوس دومیران در سال ۱۷۲۹ تاکنون کارهای زیادی درباره‌ی ساعت زیستی انجام شده است. اکنون می‌دانیم که ساعت زیستی یک سامانه‌ی زمان‌سنجی درونی است که سوخت‌و‌ساز را در تمام اشکال حیات تنظیم می‌کند. دومیران که یک ستاره‌شناس بود، پس از انجام آزمایش‌هایی روی گیاهان دوباره به مشاهده‌ی آسمان برگشت.

باید برای توصیف یک یخچال چینی در سال ۱۷۴۹ که از اثر سردکنندگی عمل تبخیر بهره می‌برد، از دومیران سپاسگزار باشیم. با این وجود، او نمی‌دانست که ما اسیر ساعت زیستی خودمان هستیم. مشاهده شده است که صدها نقش یاخته‌ای، فیزیولوژیکی و رفتاری از چرخه‌ی ۲۴ ساعته در انسان پیروی می‌کند، به همین دلیل ساعت زیستی را نواخت شبانه‌روزی نیز می‌نامند. نواخت شبانه‌روزی با مفهوم عامیانه و شبه‌علمی بیوریتم متفاوت است. دمای بدن نمونه‌ی خوبی از نواخت شبانه‌روزی است.

دمای بدن افراد سالم در طی ۲۴ ساعت، ۳۵.۵ تا ۳۸.۵ درجه‌ی سانتی‌گراد است. در اولین ساعات صبح، دمای بدن در کم‌ترین حد خود قرار دارد و بعداز ظهر و اوایل عصر به بالاترین حد می‌رسد. خستگی پرواز یا خستگی ناشی از اختلاف ساعت و مشکلات بهداشتی ناشی از کار در نوبت‌های چرخشی شغلی، بیشتر ناشی از مبارزه‌ی بدن با نواخت شبانه‌روزی است؛ همان ساعت حساس به نور که چرخه‌ی خواب را تنظیم می‌کند. ساعت‌های معیوب می‌توانند سبب افسردگی و اختلال در خواب شوند؛ مدت نواخت شبانه‌روزی به‌ندرت ۲۴ ساعت است، ولی بین ۲۳ و ۲۵ ساعت تغییر می‌کند.

چرخه خواب-بیداری درونی انسان حدود ۲۵ ساعت است. به‌علت این چرخه، انسان‌ها ساعت خواب را پیوسته روزی یک ساعت جلو می‌کشند تا آن را با برنامه‌ی ۲۴ ساعته‌ی زمین تطابق دهند. اما وقتی انسان‌ها دوره‌ی کاری خود را تغییر می‌دهند، تغییر در چرخه‌ی خواب-بیداری بسیار چشمگیر است. کل سامانه‌، همزمانی خودش را از دست می‌دهد و چرخه‌ی ۲۴ ساعتی را به جلو می‌کشد تا اینکه دوباره به‌نظم درآید. همین بی‌همزمانی است که علت خستگی پرواز به‌شمار می‌آید زیرا چرخه‌ی ۲۴ ساعته‌ی خواب-بیداری به‌طور طبیعی سعی دارد خواب را به‌تأخیر اندازد زیرا تطابق با برنامه‌ی کاری که باعث می‌شود تا دیرتر از حد معمول بیدار باشیم، که یک چرخش به جلو است، تا حدودی آسان‌تر است.

ساعت زیستی / biological clock

ساعت زیستی موجودات را قادر می‌سازد تا با محیط خود سازگار شوند. چون تمام اشکال حیات دارای ساعت‌های زیستی هستند و برخورداری این ساعت برای آن‌ها مزایایی دارد، احتمال دارد که در طی تکامل ایجاد شده باشد. مثلا در مهره‌داران ساعت زیستی از ۲۴۰ میلیون سال پیش از این ایجاد شده است. اگر واقعا یک ساعت زیستی در وجود ما است، پس در کجا قرار دارد؟ در پستانداران از جمله انسان این ساعت در هیپوتالاموس مغز در تعداد کمی از یاخته‌ها به‌نام هسته‌ی سوپراکیاسماتیک قرار دارد. هسته‌ی سوپراکیاسماتیک نزدیک عصب بینایی قرار دارد و به‌طور مستقیم به چشم‌ها متصل است؛ هسته‌ی سوپراکیاسماتیک در بافت‌های دیگر بدن هم کشف شده است.

اگر واقعا ساعت زیستی در وجود ما است، پس در کجا قرار دارد؟

هسته‌ی سوپراکیاسماتیک فقط بخشی از محور شبانه‌روزی است؛ دو جز دیگر آن، غده‌ی صنوبری و شبکیه‌ی چشم است. در بعضی افراد ترشح زیادملاتونین در طی شب‌های تاریک و طولانی و روزهای زمستان می‌تواند حالتی بنام اختلال عاطفی فصلی یا غم زمستانی ایجاد کند. این حالت افسردگی را می‌توان در مجاورت با نور روشن مناسب، درمان کرد. زمین با چرخش حول محور خود، ریتمی ۲۴ ساعته دارد و سطحش به‌صورت متناوب در معرض نور خورشید و تاریکی قرار می‌گیرد.

موجودات زنده از جلبک گرفته تا انسان با سنجش زمان توسط ضربان روشنایی یا تاریکی سیاره، فرگشت یافته‌اند. آن‌ها با استفاده از مهم‌ترین زمان‌سنج‌های جهان، که ساعت‌هایی روزانه یا شبانه‌روزی هستند، اجازه می‌دهند جدول زمانی روزانه‌شان به‌وسیله‌ی طلوع و غروب خورشید غافلگیر نشود. ساعت اصلی در مغز انسان، به‌وسیله‌ی هماهنگ کردن خواب و بیداری با نور خورشید ظهور کرد. اما ساعت‌های بیشتری در بدن وجود دارد. ساعت‌های شبانه‌روزی تقریبا در هر سلولی از بدن تیک‌تاک می‌کنند. یک ساعت در کبد و ساعتی دیگر در بافت چربی و دیگری در طهال. باربارا هلم، متخصص ساعت‌های زیستی در دانشگاه گلاسکو اسکاتلند می‌گوید:

این ساعت‌ها، الگوهای خواب و زمان‌های غذا خوردن را تنظیم می‌کنند. آن‌ها جریان هورمون‌ها را کنترل و پاسخ‌های بدن به مقدار قند و بسیاری از فرآیندهای زیستی دیگر را تنظیم می‌کنند.

بسیاری از دانشمندان می‌گویند که زمان‌سنج‌ها چنین مزیت‌های فرگشتی‌ای را عرضه کرده‌اند که گونه‌های مختلف در سراسر تاریخ، بارها و بارها آن‌ها را گسترش داده‌اند. به‌غیر از مهم و متعارف بودن ساعت‌های شبانه روزی، اینکه دقیقا چرا چنین ساعت‌هایی در اولین گام از حیات پدیدار شدند، هنوز در هاله‌ای از باهام قرار دارد. بسیاری از دانشمندان طرفدار این دیدگاه هستند که ارگانیسم‌های مختلف، به‌طور مستقل، ساعت‌های زیستی خود را فرگشت دادند. هر کدام از این ساعت‌ها چرخه‌ی مخصوص به‌خودش را تکرار می‌کند.

پروتئین KaiA

موجودات زنده این کار را احتمالا برای محافظت از دی‌ان‌ای آسیب‌پذیر و شکننده‌ی خود دربرابر پرتوهای مخرب فرابنفش خورشید انجام داده‌اند. اما گروه کوچکی از پژوهشگران این طور فکر نمی‌کنند. آن‌ها می‌گویند باید یک ساعت مادر پیش از ظهور همه‌ی ساعت‌های زیستی دیگر وجود داشته باشد. آن ساعت برای محافظت سلول از آسیب ناشی از اکسیژن و شاید دیگر مزایای ناشناخته محافظتی، فرگشت یافت. جلبک سبز-آبی یکی از ساده‌ترین ساعت‌های شبانه‌روزی را با سه چرخ‌دنده‌ی پروتئینی، دارا است.

ساعت‌های شبانه‌روزی چرخ‌دنده و عقربه ندارند؛ بلکه از مولکول‌های RNA و پروتئین‌هایی تشکیل شده‌اند

با رسیدن غروب آفتاب، پروتئین KaiA به پروتئین KaiC (شکل بالا) و فسفات ارغوانی کمک می‌کند تا به خودش تبدیل شوند. در شب، KaiB پروتئین KaiA را مسدود می‌کند و در سپیده‌دم، فسفات‌ها از KaiC جدا می‌شوند. این ساعت به فتوسنتز هماهنگ‌شده‌ی جلبک با نور خورشید کمک می‌کند. ساعت‌های زیستی اولیه ممکن است شباهتی به ساعت‌های دقیق بدن که امروزه دانشمندان آن‌ها را مطالعه می‌کنند، نداشته باشند. پژوهشگران می‌گویند ساعت‌های اجدادی ممکن است به‌طور ساده همانند یک ساعت آفتابی شروع به‌کار کرده باشند، اما اساسی برای ساخت مکانیزم‌های پیچیده‌تر فراهم آوردند که اکنون همه چیز ما از فشار خون گرفته تا زمان خواب را کنترل می‌کنند.

ساعت‌های شبانه‌روزی چرخ‌دنده و عقربه ندارند، آن‌ها از مولکول‌های RNA و پروتئین‌هایی تشکیل شده‌اند که به‌وفور نوسان می‌کنند. در زمان‌های خاصی از روز، پروتئین‌های ساعت‌ساز معینی، تولید پیام‌رسان RNA را که سلول از آن برای ساختن دسته‌ای جدید از دیگر پروتئین‌‌های ساعت‌ساز استفاده می‌کند، متوقف می‌کنند. درنهایت سطح آن پروتئین‌ها به آستانه‌ی معینی می‌رسد، سپس ساختن پیام‌رسان RNA را متوقف می‌کنند. پروتئین‌های خودسرکوب‌گر متلاشی یا به‌وسیله‌ی دیگر پروتئین‌ها کم‌کم خورده می‌شوند تا سطح‌شان به زیر آستانه سقوط کند، سپس پیام نیاز به دسته‌ای دیگر از پروتئین‌های ساعتی صادر و چرخه مجددا شروع می‌شود.

همانطوری که رولکس، تایمکس، اسواچ و سیکو نسخه‌هایی مخصوص به خود از ساعت مچی هستند، ارگانیسم‌هایی اعم از سیانوباکتری‌ها، قارچ‌ها، گیاهان و حشرات نیز همگی اختراعات مختلف مخصوص به خودشان را از ساعت‌های شبانه‌روزی دارند. پروتئین‌های چرخه‌ای در میان این ارگانیسم‌ها انواع مختلفی دارند همان طوری که دقت ساعت‌های دیجیتالی از ساعت‌های مکانیکی بیشتر است. اما همه‌ی آن‌ها، روز را با افزایش و کاهش تولید پیام‌رسان RNA و پروتئین علامت‌گذاری می‌کنند.

ساعت شبانه روزی

در مگس میوه، مقادیر چرخ‌دنده‌های ساعت شبانه‌روزی (شکل بالا)، یعنی پروتئین‌ها (خطوط تیره) و پیام‌رسان RNA (خطوط نقطه چین) به‌دفعات مشخصی در روز افزایش و کاهش می‌یابند. سه چرخ‌دند‌ه‌ی مهم که ساعت‌ساز (بنفش رنگ)، بدون زمان (خاکستری رنگ) و دوره‌ی تناوب (آبی رنگ) نامیده می‌شوند، همان‌طور که در شبیه‌سازی کامپیوتری دیده می‌شود، هر ۲۴ ساعت یک فراز و فرود دارند. اگر هیچ عامل اختلالی وجود نداشته باشد، این ساعت به تولید امواجی فعال در روزهای متمادی خواهد پرداخت. جان اونیل می‌گوید:

شواهد زیادی نشان می‌دهد که «فرار از نور» تنها نیروی تکامل ساعت‌های زیستی نبوده است.

اگر چرخه‌ها برای حفاظت از DNA درست شده باشند، نباید بدون حضور DNA، هیچ چرخه‌ای شکل بگیرد. بااین‌حال در آزمایش‌های انجام شده، مشخص شد حتی در محیطی که DNA وجود ندارد نیز آهنگ ساعت زیستی به‌وجود می‌آید.

بدون DNA هیچ‌نوع RNA پیام‌رسانی ساخته نمی‌شود؛ درنتیجه ساعت‌های زیستی کلاسیک نباید به‌وجود آیند

 یک نوع سیانوباکتر یا همان جلبک سبزآبی (Synechococcus elongatus) وجود دارد که دارای ساده‌ترین ساعت زیستی شناخته شده است. این باکتری سه پروتئین به نام KaiA، KaiB و KaiC دارد. این سه پروتئین به‌اضافه‌ی دو پروتئین جانبی، به باکتری کمک می‌کنند تا بتواند با انباشت پروتئین‌های لازم برای فوتوسنتز و دیگر فعالیت‌های روزانه، برای طلوع خورشید آماده شود. تاکائو کوندو، از دانشگاه ناگویای ژاپن در نشریه‌ی ساینس در سال ۲۰۰۵ نوشت:

سه عدد ساعت پروتئینی در لوله‌ی آزمایش انداخته شدند و انرژی آن‌ها به‌وسیله‌ی آدنوزین تری‌فسفات (ATP) تأمین شد. ساعت زیستی، با آهنگی ثابت، مولکول فسفات را به پروتئین KaiC اضافه و کم می‌کرد.

این یافته باعث شگفت‌زدگی پژوهشگران شد، زیرا آن‌ها فهمیده بودند ساعت‌های زیستی می‌توانند بدون DNA هم کار کنند. درضمن مشخص شد که آن‌ها لازم نیست برای نگه داشتن زمان،‌ دائما RNA پیام‌رسان و فرایند تولید پروتئین را فعال و غیرفعال کنند. جلبک‌های سبزآبی و اجداد اسرارآمیز حشرات و حیوانات، بیش از یک میلیارد سال پیش، شاخه‌های متفاوتی را در درخت تکامل و انتخاب طبیعی درست کردند. ساعت‌های پروتئینی جلبک‌های سبزآبی، شبیه ساعت‌های پروتئینی مرکزی پستانداران نیست.

بنابراین بعضی از پژوهشگران به اینکه ساعت‌های فاقد DNA می‌توانند در موجودات زنده‌‌ی پیچیده‌تر از جلبک‌ها کار کنند، شک دارند. اونیل و همکارش آکیلش ردی از دانشگاه کمبریج تصور کردند که احتمالا می‌شود ساعت‌های بدون DNA را در جایی دیگر یافت. آن‌ها تصمیم گرفتند که در گلبول‌های قرمز خون انسان دنبال ساعت‌های زیستی بگردند. این سلول‌ها فاقد هسته و در نتیجه DNA هستند. بدون DNA هیچ‌نوع RNA پیام‌رسانی درست نمی‌شود، در نتیجه ساعت‌های زیستی کلاسیک نباید به‌وجود آیند.

ساعت زیستی / biological clock

اونیل و همکارش در کمال تعجب مشاهده کردند که در گلبول‌های قرمز ریتم ساعت‌وار وجود دارد ساعت زیستی موجود در گلبول قرمز خون، کاملا از چرخه‌ی پروتئین و RNA پیام‌رسان بی‌نیاز است. در گلبول‌های قرمز، پروتئین‌های آنتی‌اکسیدان به‌نام پروکسی‌ردوکسین، مولکول‌های اکسیژن را با ریتم ساعت‌وار جذب یا دفع می‌کنند. عمل آن‌ها به ازبین‌بردن هیدروژن‌پروکسید کمک می‌کند. هیدروژن پروکسید یک محصول جانبی در فعالیت‌های معمولی تولید انرژی سلول‌ها است.

گلبول‌های قرمز خون هسته و در نتیجه DNA ندارند؛ اما ریتم ساعت‌وار در آن‌ها مشاهده شده است

هیدروژن‌پروکسید و دیگر اکسیدان‌ها می‌توانند به قسمت‌های مختلفی از سلول آسیب برسانند، بنابراین کنترل آن‌ها ضروری است. پروکسی‌ردوکسین‌ها در موجودات زنده‌ی مختلف، مثل یک نوع جلبک آبی به نام اوسترئوکوکوس (Ostreococcus) دیده می‌شوند. اونیل و ردی به همراه دیگر همکارانشان، پروکسی‌ردوکسین را در این جلبک آزمایش کردند. به‌گفته‌ی اونیل همانند گلبول‌های قرمز، در این جلبک هم آهنگ و ریتم مشاهده می‌شد. مقدار مولکول‌های اکسیژن چسبیده به پروکسی‌ردوکسین در یک چرخه‌ی ۲۴ ساعته، کم و زیاد می‌شد.

یک سال بعد، پژوهشگران در مجله‌ی نیچر گزارش دادند که در مگس میوه، گیاه رشادی گوش‌موشی (Arabidopsis thaliana)، قارچی به‌نام نئوروسپورا کراسا (Neurospora crassa)، سیانوباکتری به‌نام سینوکوکوس الانگاتوس (Synechococcus elongatus) و یک تک‌یاخته‌ی آرکیایی به نام هالوباکتریوم سالیناروم (Halobacterium salinarum) هم توانسته‌اند چرخه‌ی پروکسی‌ردوکسین پیدا کنند. بدین معنی که در همه‌ی دامنه‌های حیات، شامل یوکاریوت‌ها، باکتری‌ها و آرکیاها این چرخه یافت شده است. اگر همه‌ی دامنه‌های زندگی دارای ساعت‌های پروکسی‌ردوکسین هستند، بنابراین به احتمال زیادی آنتی‌اکسیدان‌ها بسیار باستانی هستند و سن آن‌ها به میلیاردها سال می‌رسد.

تکامل ساعت زیستی

مادر همه‌ی ساعت‌ها که یک تک‌سلولی به نام لوکا (شکل بالا) است و جد مشترک تمام موجودات در گذشته محسوب می‌شد، ممکن است ساعت شبانه‌روزی را توسعه داده باشد. زمان‌سنج باستانی ممکن است در جد حیوانات، گیاهان و قارچ ها در رویارویی با چالش‌های محیطی پدیدار شده باشد. نمودار میله‌ای بالا مشخص می‌کند که ساعت‌های شبانه‌روزی‌ که امروزه آن‌ها را می‌شناسیم، از چه زمانی وجود داشته‌اند. کسی به‌دقت نمی‌داند که ساعت‌های آنتی‌اکسیدانی چقدر قدمت دارند، ولی اونیل سن آن‌ها را ۲.۵ میلیارد سال حدس می‌زند.

 پروکسی‌ردوکسین‌ها چرخ‌دنده‌ی ساعت‌ها نیستند و بیشتر به عقربه‌های ساعت شبیه هستند

 این دقیقا زمانی است که سیانوباکترها به‌تازگی شروع به استفاده از فوتوسنتز برای تأمین انرژی کرده‌ بودند و در فرایند بزرگ اکسیداسیون خود، مقادیر بسیار زیاد اکسیژن در اتمسفر زمین آزاد ‌کردند. هرچند که در این زمان،‌ فوتوسنتز و اتمسفر پر از اکسیژن، کاملا مفید و ضروری به نظر می‌رسید، ولی اکسیژن برای موجودات پرکامبرین یک سم محسوب می‌شد. موجودات زنده‌ای که نمی‌توانند اکسیژن آزاد را تحمل کنند، می‌میرند یا اینکه در اعماق دریا به‌صورت بی‌هوازی زندگی می‌کنند. اونیل می‌گوید:

اگر موجودات پرکامبرین نمی‌خواستند بمیرند، باید با اکسیژن کنار می‌آمدند.

در روز که فوتوسنتز انجام می‌شود، اکسیژن می‌تواند یک مشکل اساسی باشد. موجودات زنده‌ای که برای دفاع از خود از آنتی‌اکسیدان استفاده می‌کنند، مولکول اکسیژن را از پروکسی‌ردوکسین می‌گیرند تا بتوانند در روز هیدروژن پروکسید ذخیره کنند. بدین ترتیب شانس بقای آن‌ها افزایش می‌یابد. به‌گفته‌ی اونیل، زمان‌بندی برای پیش‌بینی جذب اکسیژن، می‌تواند مزیتی بزرگ به حساب آید. پروکسی‌ردوکسین‌ها چرخ‌دنده‌ی ساعت‌ها نیستند آن‌ها بیشتر شبیه به عقربه‌های ساعت هستند. میزان اکسیژن متصل به آن‌ها نشانگر ساعتی بسیار باستانی و ناشناخته‌تر است. این ساعت سحرآمیز چنان مزیت بزرگی به حساب می‌آید که موجودات زنده آن‌ را در طول تاریخ تکامل خود حفظ کرده‌اند و هر زمان که لازم بود، تغییراتی در آن داده‌اند. اونیل می‌گوید:

مثل ساعت‌های ما که می‌توانند زمان را در موقعیت‌های مختلف جغرافیایی و در فرمت AM یا PM محاسبه کنند، یا‌ تقویم را در اختیار ما قرار دهند، ساعت‌های زیستی نیز اجزایی این چنینی دارند تا بتوانند چالش‌های محیط‌های مختلف را تحمل کنند.

دیگر پژوهشگران پیشنهاد کرده‌اند، چون «ساعت‌های زیستی پروتئینی» سیانوباکتر‌ها، حیوانات و گیاهان تفاوت زیادی با یکدیگر دارد، اجداد این موجودات زنده باید ساعت‌های مختلفی را تکامل می‌دادند. اونیل می‌گوید:

هرچند که چرخ‌دنده‌های اصلی متفاوت هستند، ولی شما همیشه می‌توانید آنزیم‌های مشابهی پیدا کنید که سرعت ساعت را تنظیم می‌کنند.

کیناز

این آنزیم‌های خاص که کیناز (Kinase) نام دارند، پروتئین‌هایی هستند که مولکول‌های فسفات را به دیگر پروتئین‌ها ضمیمه می‌کنند و باعث نابودی یا تغییر عملکرد آن‌ها می‌شوند. دو مورد از مهم‌ترین کینازها، CK1 و GSK3 هستند و در سرعت کار کردن ساعت‌های پروکسی‌ردوکسینی نقش مهمی دارند. این‌ها احتمالا ساعت‌های باستانی هستند که اونیل و دیگران دنبالشان می‌گردند. آن‌طور که اونیل، هلن کاستون و همکارانشان از دانشگاه کلمبیا در آوریل ۲۰۱۵ گفته بودند، حتی موجودات زنده‌ای که فاقد ریتم ساعت شبانه‌روزی هستند، چرخه‌ی پروکسی‌ردوکسینی کینازی دارند. جالب‌ اینجا است که نوعی مخمر به نام ساکرومایسس سرویزیه (Saccharomyces cerevisae) فاقد هرگونه ساعت پروتئینی و چرخه‌ی ۲۴ ساعته است.

حتی موجودات زنده‌ای که ریتم ساعت شبانه‌روزی ندارند، چرخه‌ی پروکسی‌ردوکسینی کینازی دارند

البته این بدین معنی نیست که مخمر نمی‌تواند زمان‌سنجی کند، مخمرها دارای هشت تنفس نوسانی، هرکدام به مدت سه ساعت هستند. در این تنفس‌ها، سرعت مصرف اکسیژن آن‌ها زیاد و کم می‌شود. اگر آنزیم CK1 را به مخمر اضافه کنیم، نوسان آهسته می‌شود. همچنین طبق یافته‌ی پژوهشگران، اضافه شدن CK1 می‌تواند آهنگ ساعت زیستی سلول‌های موش را هم تغییر دهد. این یافته‌ها نشان‌دهنده‌ی این است که آنزیم‌های کیناز، در ایجاد آهنگ ساعت‌های زیستی نقش مهمی دارند. پژوهشگران فکر می‌کنند که کینازها احتمالا یک زمان‌سنج خیلی ساده را می‌سازند، چیزی شبیه به سامانه‌ی KaiA ،B ،C سیانوباکتر‌ها. اونیل می‌گوید:

در موجودات زنده‌ی اولیه، چرخ‌دنده‌ها بسیار ساده بودند، موجودات امروزی از چرخ‌دنده‌های ساعت پیچیده‌تری بهره می‌گیرند تا با زندگی پیچیده‌تر آن‌ها سازگاری بیشتری داشته باشد.

کینازها، آنزیم‌هایی هستند که ممکن است چرخ‌دنده‌هایی در ساعت شبانه‌روزی اولیه بوده باشند. امروزه آن‌ها به‌عنوان ضربان، برای بسیاری از زمان‌سنج‌های عمل می‌کنند. یک نوع از کینازها به نام Swe1 (شکل بالا) سرعت سیکل تنفسی اکسیژن را در مخمر نان تنظیم می‌کند. یک سیکل معمولا حدود سه ساعت طول می‌کشد (نمودار بالایی)، اما اگر یک جهش باعث حذف Swe1 شود، سرعت چرخه افزایش خواهد یافت (نمودار پایینی).

هرچند که کینازها مولکول‌هایی باستانی هستند که ساعت‌های امروزی ما را می‌سازند، ولی هنوز  شواهد زیادی برای اثبات آن وجود ندارد. اونیل می‌گوید که احتمال دیگری هم وجود دارد. ممکن است از اساس ساعت مادری وجود نداشته باشد. زیست‌شناسی سلولی ممکن است فقط به‌وسیله‌ی واکنش‌های بیوشیمیایی که به‌طور طبیعی الگوهای منظم به خود گرفته‌اند، شکل گرفته باشد. او می‌گوید:

من این احتمال را دوست ندارم، چرا که آزمایش یا رد آن بسیار مشکل است. تنها راه اینکه ثابت کنیم این نظریه اشتباه است، این است که به‌دنبال ساعت مادر برویم. از اساس مشکل پرسش‌هایی که به تکامل مربوط می‌شود این است که بدون وجود یک ماشین زمان نمی‌توانید پاسخ آن‌ها را پیدا کنید.

ساعت زیستی / biological clock

هر پژوهشگری به فرضیه‌ی پروکسی ردوکسین علاقمند نیست. به‌گفته‌ی جوزف تاکاهاشی ژنتیک‌دان و عصب‌شناس ساعت‌های شبانه‌روزی از دانشگاه مرکز پزشکی جنوب غربی تگزاس در دالاس، آن‌ها طرح‌هایی چشم نواز اما بدون سند هستند. همچنین به‌گفته‌ی اونیل، ما ساز‌و‌کاری نداریم و همه‌ی آن‌ها مشاهداتی هستند که با مدل‌های کلاسیک ناسازگارند. این مدل‌ها ساعت‌ها را به‌عنوان ماشینی از پروتئین‌های نوسان‌گر و پیام‌رسان RNA توصیف می‌کنند که توسط سازوکار گریز از نور فرگشت یافته‌اند. محور استدلال اونیل این ایده است که باید یک ساعت اجدادی وجود داشته باشد، به‌طوری که همه‌ی ارگانیسم‌هایی که ساعت دارند، زمان‌سنج‌های روزانه‌ی خود را براساس آن ساخته باشند. دیگر پژوهشگران با عجله، ایده‌ی «فرگشت مستقل» را کنار نمی‌گذارند. سوزان گلدن متخصص میکروبیولوژی در دانشگاه سندیگو کالیفرنیا می‌گوید:

من فکر نمی‌کنم باید تصور کنیم که ساختن یک ساعت دشوار است. ساز و کارهای تنظیم وقت که امروزه در طبیعت دیده می‌شوند، آنهایی هستند که در محیط پیرامون‌شان گیر افتاده‌اند.

ارگانیسم‌ها ممکن است سایر زمان‌سنج‌ها یا ریتم‌ها را آزموده و رد کرده باشند. اخیرا گروه‌های پژوهشی مستقل دریافتند که یک کرم دریایی، ساعت قمری و یک شته‌ی دریایی یک ساعت جزر و مدی دارد. گروه آزمایشگاهی گلدن با ساعت شبانه‌روزی از نوع سیانوباکتری کار کردند تا ببینند که این ساعت می‌تواند زمان را در مقیاس متفاوتی مثلا چند هفته یا ساعاتی از روز بسنجد یا نه. اگرچه هیچ کس ساعت اولیه را نیافته است، برخی از دانشمندان در مورد اینکه چرا چنین ارگانیسم‌هایی ممکن است در گام اول مفید بوده باشند، استدلال‌های فلسفی ارائه می‌کنند.

دوری کردن از اکسیژن سمی و گریز از نور ویرانگر، تنها دلایلی نیستند که ایده‌ی ساعت‌های شبانه‌روزی را به یک ایده‌ی خوب تبدیل می‌کند. بعضی از پژوهشگران می‌گویند که مزیت داشتن یک ساعت، ممکن است واکنش‌های شیمیایی متناقض را از هم جدا نگه دارد یا کارکرد سلول‌ها را به‌وسیله‌ی ایجاد یک جدول زمانی برای مولکول‌های مورد نیاز در هر مرحله از واکنش‌های زنجیره‌ای شیمیایی هموارتر سازد. تاکاهاشی می‌گوید:

ما متعجب هستیم چرا ساعت به‌جای اینکه به همه چیز اجازه دهد فقط با شیپوری شبیه به شیپور خاموشی در پادگان اداره شوند، هر روزه متابولیسم را به راه و از کار می اندازد.

قطب نمای زیستی

یک شبیه‌سازی کامپیوتری در سال ۲۰۱۰ تخمین زده است که ساعت‌های شبانه‌روزی ممکن است ذخیره‌ی انرژی کافی برای رشد ارگانیسم‌ها را ۱۵ درصد سریع‌تر کنند. بااین‌حال، اندازه‌گیری که این مزیت ممکن در دنیای واقعی را نشان دهد دشوار است. دامیین مرن، متخصص فیزیولوژی از شرکت پژوهشی گیاه و غذا در نیوزلند، آزمایشی طبیعی را که قبلا در حال پیشرفت بوده است و آزمایش خوبی در اثبات ایده‌ی ذخیره‌ی انرژی بود، برپا کرد. مرن و همکارانش در سوئد نوعی ماهی به‌نام تترای مکزیکی یا آستیاناس مکزیکینوس را برای دانستن اینکه دیدگاه انرژی‌محور چقدر ارزشمند است، مورد مطالعه قرار دادند.

یک نمونه از این ماهی‌ها در سطح آب‌ها شنا می‌کند. نوع دیگری از این ماهی‌ها در غارهای پاشون در شمال شرقی مکزیک و همیشه در تاریکی زندگی کرده و فاقد چشم است. ماهی‌های درون غار ساعت‌های شبانه روزی را طوری تغییر داده‌اند که شب و روز برایشان فرقی ندارد. مرن ماهی‌های شناگر سطح آب و درون غار را در لوله‌های شناور و آب در جریان، بیش از مقداری که آن‌ها در چند روز به‌طور آهسته شنا می‌کردند، قرار داد. او میزان اکسیژن مورد استفاده توسط ماهی را اندازه گرفت. همان‌طور که انتظار می‌رفت، ماهی شناگر سطح آب، در طول روز نسبت به شب اکسیژن بیشتری مصرف کرد.

ساعت‌های شبانه‌روزی ممکن است ذخیره‌ی انرژی کافی برای رشد ارگانیسم‌ها را ۱۵ درصد سریع‌تر کنند

اما ماهی درون غار از مقدار اکسیژن یکسانی در روز و شب استفاده کرد. به‌گفته‌ی او، تصور کردیم این یک ماهی ممکن است اینطور باشد. سپس ماهی دیگری را درون آب گذاشتیم. مصرف اکسیژن آن ماهی هم یکسان بود. ماهی‌های درون غار با نگه داشتن متابولیسم‌شان روی آهنگی ثابت در سراسر روز به‌جای افزایش ریتمی آن در پی چرخه‌های نور، ۲۷ درصد انرژی خود را ذخیره کردند. هنگامی که هر دو نوع ماهی شناگر سطح آب و درون غار در تاریکی مورد آزمایش قرار گرفتند، ماهی درون غار بهتر بود و ۳۸ درصد کمتر از ماهی شناگر سطح آب انرژی مصرف کرد.

ذخیره‌ی انرژی یک ماهی بدون چشم به نام تترای مکزیکی (شکل پایین) در غارهای تاریک زندگی می‌کند. اما ساعت شبانه‌روزی‌اش همیشه منطبق با روز است. یک تیک ساعت، انرژی ماهی را توسط مصرف ثابت اکسیژن حفظ می‌کند (نمودار پایینی). اما ساعت تترای مکزیکی که در سطح آب شنا می‌کند، در طول روز از اکسیژن بیشتری استفاده می‌کند (نمودار بالایی). این کشف بدان معنا نیست که تاکاهاشی در مورد انرژی ذخیره شده‌ی ساعت‌های شبانه‌روزی در جهان ریتمی اشتباه می‌کند. فقط ماهی درون غار است که در محیطی با تاریکی نسبتا ثابت زندگی می‌کند. او می‌گوید:

اگر ماهی آمادگی لازم برای پیش‌بینی یک رویداد را داشته باشد و آن رویداد اتفاق نیافتد چه چیزی هدر می‌رود؟

شکل پایین

اما در جهانی که طلوع خورشید طلایی با الگویی متعارف پیش‌بینی‌پذیر است، ساعت‌های شبانه‌روزی ممکن است واقعا گزینه‌های پرهزینه‌ای باشند. فقط به این دلیل که بعضی از حیوانات در محیط‌های غیرمتعارف دارای ساعت‌های بسیار متفاوتی هستند، نمی‌توان نتیجه گرفت که زندگی بدون ریتم ایده‌ی خوبی برای همه است. هلم متخصص ساعت‌های زیستی از گلاسکو می‌گوید:

من در این مورد تردید دارم که به جز در شرایط عجیب و غریب، زندگی بدون ساعت بهتر است. ماهی درون غار فاقد چشم است اما هیچ کس بر این اساس نمی‌تواند استدلال کند که چشم‌ها فاقد اهمیت هستند.

به‌گفته‌ی گلدن، ساعت‌ها ممکن است فقط به‌دلیل ایده‌ی گریز از نور فرگشت نیابند، آن‌ها بدون‌شک به‌وسیله‌ی محیط اطراف‌شان موجودیت یافته‌اند و وجودشان برای حیات ضروری است.

امروز بدون‌ شک حیوانات زیادی توانایی حس و رفتاری براساس جهت میدان مغناطیسی زمین دارند

تردیدی نیست که امروزه ساعت‌های شبانه‌روزی باید ضمائمی برای اغلب ارگانیسم‌های زنده در سطح زمین داشته باشند. اما آیا می‌توان از داستان «خاستگاه گریز از نور» سر در آورد؟ بخشی از مدرک اصلی در حمایت از ایده‌ی گریز از نور، این است که سلول‌ها تمایل دارند که دی‌ان‌ای‌شان را در شب‌ها به‌طور ایمن در پناه تاریکی کپی کنند و در طول روز خرابی‌های ناشی از ذخیره‌ی پرتو فرابنفش (UV) را ترمیم کنند.

برخی از پروتئین‌های مشابه دندانه‌های چرخ‌دنده که ساعت‌های شبانه‌روزی را به حرکت وا می‌دارند نیز در ترمیم DNA درگیر می‌شوند و اتصالات آن را محکم تر می‌کنند. امروزه دیگر شکی وجود ندارد که حیوانات زیادی توانایی حس و رفتاری براساس جهت میدان مغناطیسی زمین دارند، حال مطالعه‌ای می‌گوید انسان‌ها هم ممکن است این حس را داشته باشند که به نام «حس ششم» نام‌گذاری شده است و جو کریش‌وینک معتقد است که انسان نیز این حس یا همان قطب‌نمای زیستی را دارد و به‌دنبال اثبات این موضوع است. 

کریش‌وینک حالا در مؤسسه‌ی فناوری کالفرنیا انسان‌ها را آزمایش کرده است تا ببیند آیا آن‌ها هم این حس مغناطیسی را ولو به‌صورت ناخودآگاه دارند یا نه؟ او تقریبا مطمئن است اما باید این مسئله را ثابت کند. نتایج آزمایش‌های کریش‌وینک که در نشست ۲۰۱۶ مؤسسه‌ی ناوبری سلطنتی ارائه شده، تا حد زیادی قانع‌کننده هستند. او در گفت‌و‌گو با نشریه‌ی Science گفته است صحبت‌هایم در آنجا به خوبی پیش رفت، بااین‌حال هنوز تا اثبات نهایی راه طولانی مانده است. آنچه کریش‌وینک ارائه کرده، نتایج آزمایش‌ها روی یک گروه کوچک ۲۴ نفره است. او هنوز مقاله‌ای را می‌نویسد که باید در داوری‌های همتانگر بررسی شود.

بیشتر بخوانید:

بااین‌حال کریش‌وینک بودجه‌ای ۹۰۰ هزار دلاری دریافت کرده و با آزمایشگاه‌هایی در ژاپن و نیوزلند برای اثبات این موضوع مشغول همکاری است. او ادعا می‌کند این حس و وجود گیرنده‌های مغناطیسی در بدن انسان پیش از این دست‌کم گرفته شده‌اند. شماری از متخصصان نتایج اولیه‌ی او را مهم قلمداد می‌کنند. پیترهور، شیمی فیزیکدان از دانشگاه آکسفورد که در زمینه‌ی گیرنده‌های مغناطیسی پیشرو است، می‌گوید:

جو، مرد بسیار باهوشی است و در آزمایش‌هایش بسیار دقت به خرج می‌دهد.

او در ادامه گفت اگر او مطمئن نبود که می‌تواند این موضوع را ثابت کند، درباره‌اش در نشست ناوبری حرف نمی‌زد و این چیزی نیست که بتوانید درباره‌ی هر دانشمندی بگویید. پس چطور می‌توانیم میدان مغناطیسی را درک کنیم وقتی آن را با چشممان نمی‌بینیم؟ می‌دانیم فقط پرندگان و پروانه‌ها نیستند که از این قطب نمای زیستی استفاده می‌کنند، مثلا سگ‌ها در میان پستانداران از حسی برای دریافت محور شمال جنوب استفاده می‌کنند. درباره نحوه‌ی ایجا قطب‌نمای زیستی، دو نظریه به عمده وجود دارد: اولی می‌گوید میدان مغناطیسی زمین واکنش‌های کوانتومی را در پروتئینی به‌نام (کریپتوکروم) فعال می‌کند.

جهت یابی پرندگان

پروتئین کریپتوکروم در شبکیه‌ی چشم پرندگان، سگ‌ها و حتی انسان هم وجود دارد، اما هنوز مشخص نیست این پروتئین‌ها، اطلاعات مغناطیسی را به مغز منتقل می‌کنند یا نه. گروه دوم می‌گویند واقعا گیرنده‌های درون سلول‌های بدن وجود دارد که دارای سوزن‌های قطب‌نمای مغناطیسی و از کانی آهن (مگنتیت) ساخته شده است و باتوجه‌به موقعیت شخص و میدان مغناطیسی زمین جهت می‌برد. مگنتیت درون سلول‌های نوک پرنده‌ها و بینی ماهی قزل‌آلا پیدا شده است اما هنوز شواهد دقیق علمی که این توانایی را توضیح دهد، وجود ندارد.

میدان مغناطیسی می‌تواند باعث تغییر اسپین الکترون‌ها و رفتار شیمیایی مولکول شود

کریپتوکروم نقش جالبی در جهت‌یابی ایفا می‌کند. وقتی پرتوی نور با طول موج کوتاه به آن برخورد می‌کند، به چیزی تبدیل می‌شود که شیمیدان‌ها به آن «جفت رادیکال» می‌گویند. مولکولی متشکل از دو الکترون غیر جفت که اسپین آن‌ها می‌تواند همسان یا غیرهمسان باشد. میدان مغناطیسی می‌تواند باعث تغییر اسپین الکترون‌ها بین حالت همسان و غیر همسان شود و رفتار شیمیایی مولکول را تغییر دهد.

در سال ۱۹۷۸ فیزیکدانی از دانشگاه ایلینویز به نام کلاوس شولتن، گفت که شاید حیوانات از واکنش‌های جفت رادیکال برای تشخیص میدان مغناطیسی استفاده می‌کنند ولی او هیچ مولکولی را کشف نکرد که این اتفاق درونش بیفتد تا اینکه در دهه‌ی ۱۹۹۰ پژوهشگران توانستند در شبکیه‌ی چشم پستانداران مولکول کریپتوکروم را پیدا کنند که به‌عنوان حسگر نور کار می‌کرد. بیشتر پژوهشگران به سراغ بررسی ساعت شبانه‌روزی روی کریپتوکروم رفتند ولی شولتن می‌دانست این مولکول می‌تواند جفت رادیکال درست کند.

شولتن در سال ۲۰۰۰ مقاله‌ای منتشر کرد و نشان داد که چگونه میدان‌های مغناطیسی می‌توانند روی واکنش‌های کریپتوکروم تأثیر بگذارند و لکه‌های تاریک و روشنی در میدان دید پرندگان ایجاد کنند. حسگر کریپتوکرومی شبکیه‌ی چشم می‌تواند توضیح دهد که چرا رنگ‌های آبی و سبز باعث فعال شدن قطب‌نمای پرندگان ولی رنگ قرمز باعث قفل شدن آن می‌شود. یا اینکه چرا پرندگان با اندازه‌گیری تغییرات در انحراف میدان و نه تشخیص مستقیم میدان مغناطیسی شمال را از جنوب تشخیص می‌دهند (کریپتوکروم نمی‌تواند قطب مغناطیسی را احساس کند).

جهت یابی پرندگان

این درحالی است که همانند مگنتیت، دانشمندان مولکول کریپتوکروم را به هنگام فعالیت ندیده‌اند و نمی‌دانند که چگونه با اعصاب ما ارتباط برقرار می‌کند. بدتر اینکه آزمایش‌ها نشان می‌دهد که فعال شدن کریپتوکروم نیازمند میدان‌های مغناطیسی چند برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است. بنابراین عامل به‌وجود آورنده‌ی قطب‌نمای زیستی چیست؟ پیتر هور از دانشگاه آکسفورد می‌گوید که شاید هم مگنتیت و هم کریپتوکروم جواب سؤال ما باشد؛ کریپتوکروم می‌تواند قابلیتی شبیه به قطب‌نما به ما بدهد و مگنتیت قابلیت مکان‌یابی. به هر حال شاید بتوانیم حس جهت‌یابی را حس ششم خود بدانیم، حسی که بعضی از ما در آن خیلی خوب هستیم و بعضی جهت‌یابی خوبی نداریم.

کریش‌وینک بیشتر طرفدار نظریه‌ی دوم است اما در وهله‌ی اول هدفش نشان دادن این است که گیرنده‌های مغناطیسی در انسان رخ می‌دهد. مشکل آزمایش‌های قبلی این بود که نتایج تکرارپذیر نبودند و احتمالا تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی قرار گرفته بودند. کریش‌وینک برای غلبه بر این مشکل به ساخت قفس فارادی دست زد؛ جعبه‌ی آلومینیومی نازکی که می‌تواند نویز مغناطیسی زمینه را به کمک سیم پیچ‌ها خنثی کند. آزمایش‌شوندگان درون قفس در تاریکی مطلق نشستند و بدون حضور هیچ محرک دیگری در معرض میدان مغناطیسی بدون تداخل قرار گرفتند.

در همین زمان کریش‌وینک به‌وسیله‌ی نوار مغزی، فعالیت‌های مغزی شرکت‌کنندگان را زیر نظر گرفت. سپس چرخشی شبیه میدان مغناطیسی زمین بر افراد اعمال کرد تا ببیند آیا مغز آن‌ها هیچ واکنشی نشان می‌دهد یا نه. او موفق شد نشان دهد وقتی میدان مغناطیسی عکس عقربه‌های ساعت می‌چرخد، امواج آلفای مغز شرکت‌کنندگان افت می‌کند. تفسیر این اتفاق در جهان نوار مغز این است که مغز در حال پردازش است و نکته اینجا است که یک سری نورون که در پاسخ به تغییر میدان فعال شدند تنها متغیر موجود محسوب می‌شود؛ پس باید تحت تأثیر میدان مغناطیسی اتفاقی افتاده باشد.

اما فراتر از آن پاسخ عصبی به این اتفاق به‌اندازه‌ی چند میلی‌ثانیه تأخیر داشت که به‌معنای پاسخ فعال مغز است. میدان مغناطیسی تغییری در جریان‌های مغزی پدید می‌آورد که با نوار مغزی قابل رویت است اما بلافاصله مشاهده نمی‌شود. همچنین واکنش مشابه وقتی میدان مغناطیسی به سمت پایین پیچ می‌خورد، دیده شد اما در مورد پیچش به سمت بالا و چرخش ساعت‌گرد پاسخی دیده نشد که می‌تواند نشان‌دهنده‌ی قطبی بودن قطب‌نمای درونی ما باشد. جو کریش‌وینک، قابلیت درک حس مغناطیسی را روی انسان آزمایش کرد؛ به عقیده‌‌ی او، حس مورد بحث از احساسات اولیه و ابتدایی بشر است.

با این وجود دانشمندان و پژوهشگران از چگونگی استفاده از حس مغناطیسی مطمئن نیستند. درواقع این حس، حسی برای مسیریابی بوده است و حیوانات از این حس زمان شکار، فرار و امثال آن استفاده می‌کنند. به‌گفته‌ی پژوهشگران، پروتئین درون شبکیه چشم انسان که در آناتومی مگس میوه هم وجود دارد توانایی دید میدان‌های مغناطیسی را دارد و درواقع حسگر مغناطیسی بالقوه است اما قابلیت استفاده آن در بشر هنوز مشخص نیست. حالا آزمایشگاهی در زتپن تلاش می‌کند نتایج را تکرار کند و پژوهشی مستقل دراندونزی با پیگیری همین شیوه و استاندارد در حال انجام است.

کریش‌وینک می‌گوید:

این بخشی از تاریخ تکاملی ما است و دریافت مغناطیسی ممکن است حسی بسیار اولیه باشد.

قطب نمای زیستی مغز

دانشمندان معتقدند درک این موضوع شواهدی در مورد مهاجرت حیوانات و حس مغناطیسی بشر را مشخص می‌کند. برای درک بهتر، میدان مغناطیسی چرخشی برای اندازه‌گیری امواج مغزی به شبکیه‌ی چشم فرستاده و مشخص شد زمانی‌که این میدان برخلاف عقربه‌های ساعت می‌چرخد نوترون‌ها به این تغییر چرخشی در مغز واکنش نشان می‌دهند. البته با وجود تمامی این پژوهش‌ها، هنوز نیازمند بررسی‌های بیشتر در مورد حس مغناطیسی هستیم.

مگنتیت در منقار پرندگان و بینی ماهی‌ها و حتی مغز انسان به‌ مقدار فراوانی وجود دارد

 وینک متوجه شد که مگنتیت در منقار پرندگان، بینی ماهی‌ها و حتی مغز انسان به مقداری قابل ملاحظه وجود دارد و این ماده به‌شدت به میدان مغناطیسی حساس است. وینک می‌گوید که حیوان به کمک این ماده نه‌تنها می‌تواند جهت‌گیری بدن خود را بفهمد (عملکرد شبیه به قطب‌نما)، بلکه حتی می‌تواند مکانش را هم پیدا کند. بااین‌حال هنوز راه طولانی مانده است تا مشخص شود انسان هنوز به‌طور کامل رابطه‌اش را با این حس ششم (GPS) یا قطب‌نمای زیستی انسان، از دست نداده است. نوروبیولوژیستی به‌نام کنت لومان از دانشگاه کارولینای شمالی می‌گوید:

حتی وجود یک قطب‌نما نمی‌تواند توضیح دهد که چگونه لاک‌پشت دریایی در کل پهنه‌ی اقیانوس سفر می‌کند و دوباره دقیقا به همان ساحلی که از آنجا آمده بود، برمی‌گردد.

داشتن حس شبیه به قطب‌نما فقط به حیوان کمک می‌کند که بتواند عرض جغرافیایی را از روی تغییرات شیب و انحراف خطوط میدان مغناطیسی بفهمد. ولی فهمیدن طول جغرافیایی نیازمند درک تغییرات جزئی میدان مغناطیسی در جابجایی بین مکان‌های مختلف زمین است. این حسی است که مگنتیت می‌تواند آن را به‌وجود آورد. انسان فقط دارای حواس پنجگانه نیست بلکه حس ششمی با قابلیت درک میدان‌های مغناطیسی زمین دارد. بسیاری از حیوانات از حس مغناطیسی برخوردار هستند و به‌وسیله‌ی آن مسیر خود را در فواصل دور تعیین می‌کنند.

آن‌ها با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی نسبت به میدان مغناطیسی شمال مسیریابی می‌کنند. بسیاری از ما می‌دانیم که جهت‌یابی خوبی نداریم و تعجب می‌کنیم که چطور بعضی از دوستانمان در هنگام رانندگی به‌راحتی می‌توانند مسیرهایی که فقط یک‌بار رفته‌اند را دوباره پیدا کنند یا مسیر‌های جدید را در جهت درست طی کنند. ظاهرا فارغ از فاکتورهای تاثیرگذاری مثل تجربه و دقت به محیط اطراف، آدم‌ها در توانایی ذهنی جهت‌یابی هم متفاوت هستند. مغز سیستم خاص خود را برای ردیابی و تعیین موقعیت مکانی دارد.

با وجود اینکه دانش بشر در مورد این نوع قابلیت‌های مغز در حال گسترش است اما همچنان سوالات و ابهامات بسیاری در این زمینه وجود دارد که هنوز پاسخ درستی به آن‌ها داده نشده است. به‌راستی مغز چگونه می‌تواند موقعیت مکانی را تشخیص دهد؟ آیا مغز نیز از سیستمی مشابه GPS استفاده می‌کند؟ گروهی از دانشمندان در یکی از پژوهش‌های مرتبط، موفق به کشف اجزای کلیدی در مغز موش‌ها شدند که می‌توان از آن‌ها به‌‌عنوان یک سیستم ناوبری فوق پیشرفته اما قدیمی یاد کرد.

سلول های شبکه‌ای

سلول‌های سرعت، سلول‌های شبکه‌ای و سلول‌های مکانی همه از مهم‌ترین اجزای سازنده‌ی مغز هستند که تشریح عملکرد آن‌ها می‌تواند تا حدودی معماهای جهت‌یابی مغز را حل کند. حرکت مطمئن در فضاهای باز مستلزم مهارت‌های ناوبری است. پژوهش‌های جدید نشان می‌دهد که عملکرد سلول‌های شبکه‌ای مغز تاحد زیادی شبیه سیستم تعیین موقعیت جهانی است. پژوهشگران می‌گویند گروهی از نورون‌ها را به‌نام «سلول‌های سرعت» کشف کرده‌اند که می‌تواند سرعت دویدن در حیوانات را نشان دهد.

یافته‌های جدید احتمالاً کمک موثری در راستای تشریح قابلیت‌های مغز به‌خصوص توانایی مغز در ایجاد نقشه‌های ذهنی مستمر و جدید از موقعیت‌های مکانی گوناگون است. در دهه‌ی ۷۰ میلادی یک دانشمند عصب‌شناس به نام جان اوکیف نورون‌هایی را کشف کرد که بعدها با عنوان سلول‌های مکانی خوانده شدند. یک سلول مکانی در حقیقت یک یاخته‌ی عصبی از نوع هرمی در ناحیه‌ی هیپوکمپوس یا اسبک مغز است. اسبک مغز که در اعماق لوب گیج‌گاهی جای گرفته، از دو شاخک منحنی‌شکل تشکیل شده است و نقش اساسی در یادگیری و به خاطر آوردن خاطرات گذشته دارد.

پژوهش‌ها نشان می‌دهد که سلول‌های مکانی اسبک مغز زمانی فعال می‌شوند که حیوان به هر دلیل وارد یک جایگاه یا مکان خاص شود. دانشمندی به نام کنت کریک در سال ۱۹۴۳ به این نتیجه‌گیری رسید که مغز انسان احتمالاً الگوها یا مدل‌هایی کوچک مقیاس را می‌سازد و با استفاده از آن‌ها موقعیت مکانی خود را تشخیص می‌دهد. در سال ۱۹۷۸، اوکیف این نظریه را کامل‌تر کرد و به این جمع‌بندی رسید که مغز با استفاده از سلول‌های مکانی، نقشه‌های تشخیصی را می‌سازد و این نقشه‌های تشخیصی در تصمیم‌گیری و موقعیت‌یابی مورد استناد قرار می‌گیرند یعنی به‌فرض عملکرد یک موش در یک دالان به این بستگی دارد که سلول‌های مکانی چه نقشه‌ای را از آن محل تداعی کنند.

بیشتر بخوانید:

پژوهش‌های بعدی نشان داد که این تنها سلول‌های مکانی نیستند که نقشه‌های تشخیصی مغز را می‌سازند بلکه انواع دیگری از یاخته‌های عصبی اسبک مغز و حتی سلول‌های عصبی اطراف نیز در این کار نقش دارند و مجموع این عوامل است که سبب می‌شود تا فرایند تشخیص فضایی در ذهن یک حیوان شکل بگیرد و نسبت به موقعیت مکانی‌اش از خود عکس‌العمل نشان دهد. نحوه‌ی عملکرد این مجموعه پیچیده هنوز ابهامات زیادی دارد و پژوهش‌ها روی آن همچنان ادامه دارد. اوکیف که هم‌اکنون در کالج لندن مشغول به تدریس است، به‌واسطه‌ی تجزیه‌وتحلیل فوق‌العاده‌اش موفق به کسب جوایز متعددی شد.

اهدای جایزه‌ی نوبل پزشکی

این پژوهشگر برجسته از پژوهشگرانی است که در حل معمای تعیین موقعیت مکانی توسط مغز گام‌های بسیار مهمی را برداشته است. جان اوکیف یکی از عصب‌شناسان برجسته و برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیولوژی و پزشکی در سال ۲۰۱۴، سال‌ها پیش توانست فرضیه‌ی خود مبنی بر استفاده‌ی مغز از نقشه‌های تشخیصی را اثبات کند. پژوهش‌های این عصب‌شناس از جمله موثرترین کارهایی است که تاکنون در راستای حل معمای ناوبری مغز انجام شده است. ۳۵ سال زمان لازم بود تا دو عصب‌شناس دیگر به نام‌های می بریت و ادوارد موزر از دانشگاه علوم و فناوری تروندهایم نروژ بتوانند یک گروه مجزا از نورون‌ها به‌نام سلول‌های شبکه‌ای را کشف کنند.

سلول‌های سرعت و شبکه‌ای و مکانی همگی از مهم‌ترین اجزای سازنده‌ی مغز هستند

این سلول‌های عصبی که یکی از مهم‌ترین نورون‌های عصبی مغزی گونه‌های مختلف جانوری هستند، نقش تاثیرگذاری در درک موقعیت مکانی و فضایی برعهده دارند. همان‌طور که گفته شد، این سلول‌ها ۳۵ سال پس از اوکیف کشف شدند. اما اهمیت این کشف تازه در چیست؟ پژوهش‌های اوکیف نشان داد که وقتی یک موش وارد یک مکان خاص می‌شود سلول‌های مکانی برانگیخته می‌شوند. اما پژوهش‌های موزر و همکارانش که در یک محیط بزرگ‌تر انجام شد، نشان داد که وقتی یک موش در یک فضای باز حرکت می‌کند، سلول‌های شبکه‌ای مغزش در فواصلی مشخص و منظم برانگیخته و تحریک می‌شوند.

از آنجایی که الگوی تحریک‌پذیری این سلول‌ها شبیه شبکه‌ی ۶ گوش با مثلث‌های درهم تنیده است، لذا آن‌ها را به‌نام سلول‌های شبکه‌ای می‌خوانند. این الگوی مختصات‌گونه تا حد زیادی شبیه شبکه‌های مختصات در سیستم GPS است. این کشف به اندازه‌ای مهم و ارزشمند بود که در سال ۲۰۱۴ جایزه‌ی نوبل فیزیولوژی و پزشکی (شکل بالا) را هم‌زمان برای ادوارد موزر و همکارانش و پروفسور اوکیف به ارمغان آورد. همان‌طور که پیش‌تر گفته شد، ابهام در این زمینه همچنان ادامه دارد به‌عنوان مثال هنوز مشخص نیست که سلول‌های شبکه‌ای و مکانی چگونه اطلاعاتی را که لازمه‌ی هر سیستم تعیین موقعیت است، به‌دست می‌آورند. پروفسور موزر که به همراه همسر و یکی از شاگردانش روی این مسئله کار می‌کند، می‌گوید:

زاویه و سرعت حرکت نسبت به نقطه‌ی شروع بسیار مهم است. کاری که مغز انجام می‌دهد این است که یک نقشه‌ی دینامیک از محیط اطراف ترسیم می‌کند و برای ترسیم این نقشه باید بتواند سیگنال‌های سرعت را هم در اختیار داشته باشد. این سیگنال‌ها به مغز می‌گویند که در یک مدت زمان مشخص چه مسافتی طی شده است.

جفری تائوب (Jeffry Taube) یک عصب‌شناس دیگر می‌گوید:

مطالعات قبلی مشخص کرده است که نورون‌ها تنها زمانی تحریک می‌شوند که سر به سمت جهت مشخصی چرخش پیدا کند یعنی به‌فرض زمانی‌ که سر یک موش به سمت شرق یا غرب یا بالا و پایین منحرف شود، نورون‌های عصبی نیز تحریک می‌شوند. اما اطلاعات درباره‌ی نورون‌های عصبی که نسبت به تغییر سرعت عکس‌العمل نشان می‌دهند، هنوز کامل نیست. اطلاعات در این زمینه تاکنون پراکنده و بیشتر به یک نوع روایت شبیه بوده است تا بیان واقعیت.

اسکن مغز

پروفسور موزر و همکارانش برای بررسی بیشتر روی این نوع از سلول‌های عصبی مطالعاتی تخصصی‌تر روی قشر انتورهینال میانی مغز (Medial Entorhinal Cortex) انجام دادند. انتورهینال (بینی داخلی) قشری از مغز در ناحیه لوب گیجگاهی است که نقش موثری در یادآوری خاطرات و جهت‌یابی دارد. در سال ۲۰۰۵ پژوهش‌های جامعی روی این بافت عمقی مغز، انجام شد و حاصل آن چنانچه پیش‌تر هم گفته شد، کشف کم‌نظیر سلول‌های شبکه‌ای بود. پروفسور موزر و همکارانش در ادامه‌ی پژوهش‌های خود الکترودهایی را روی مغز موش‌ها جای دادند تا بتوانند عملکرد هزاران نورون این ناحیه از مغز را به دقت مورد مطالعه قرار دهند.

آن‌ها سپس موش‌ها را روی یک نقاله متحرک قرار دادند و عکس‌العمل‌های آن‌ها را ثبت کردند. نقاله‌ی متحرک، موش‌ها را مجبور می‌کرد که با سرعت‌های متفاوتی که از قبل توسط کامپیوتر برنامه‌ریزی شده بود، بدوند. در یکی از این آزمایش‌ها موش‌ها را مجبور کردند که تمام طول مسیر را با یک سرعت ثابت بدوند و در آزمایش دیگر آن‌ها را وادار کردند که تنها نیمی از مسیر را بدوند و در آخرین آزمایش نیز موش‌ها مجاز بودند که سرعت دویدن خود را روی نقاله‌ی خودشان تنظیم کنند. نتیجه‌ی این آزمایش‌ها نشان می‌دهد که در هر سه آزمایش، الگوی تحریک‌پذیری ۱۳ الی ۱۵ درصد سلول‌های مغزی به‌طور مشخص تابعی از سرعت حرکت موش‌ها بوده است.

این بدان معنا است که برخی از سلول‌های مغز موظف هستند تا سرعت دویدن را تنظیم کنند. دانشمندان نام این گروه جدید را سلول‌های سرعت گذاشته‌اند و معتقدند که سرعت تحریک‌پذیری آن‌ها به‌طور مشخص تابع سرعت حرکت موجود زنده است. مایکل هسلو، عصب‌شناس از دانشگاه بوستون می‌گوید که یافته‌های همکارانش به هیچ‌وجه او را شوکه نکرده است. جدای از سلول‌های سرعت قشر انتورهینال میانی مغز، سلول‌های دیگری هم در مغز هستند که نسبت به سرعت از خود واکنش نشان می‌دهند. ظاهرا قرار است به‌زودی مقالات مرتبط زیادی در این زمینه چاپ شود.

یکی از جالب‌ترین یافته‌های پژوهش اخیر براساس روایت عصب‌شناسان این است که پژوهشگران در این پروژه‌ی پژوهشی توانسته‌اند عملکرد سلول‌های سرعت را در کامپیوتر پیش‌بینی کنند. این مسئله که بتوان از قبل سرعت موش‌ها را پیش‌بینی کرد یعنی با دقت بالا بیان کرد که یک موش چه زمانی سرعت خود را زیاد و چه زمانی سرعت خود را کم می‌کند، شاید به نظر عجیب باشد اما پروفسور موزر و همکارانش توانسته‌اند در طول آزمایش‌های کم‌نظیرشان این موضوع را اثبات کنند. دانشمندان امیدوار هستند که ادامه‌ی پژوهش‌هایشان در این زمینه ابهامات عملکرد مغز در تعیین موقعیت و جهت‌یابی را تا اندازه‌ای حل کند.