Cos'è l'orologio biologico e come funziona?

Gli orologi biologici dettano la nostra intera esistenza dal momento in cui ci svegliamo fino a quando andiamo a dormire. Vuoi sapere in cosa consistono?

Scritto e verificato el biólogo Samuel Antonio Sánchez Amador.

Ultimo aggiornamento: 21 maggio, 2023

Gli esseri viventi richiedono un certo grado di routine nelle nostre vite. Andiamo a letto ad orari socialmente prestabiliti, mangiamo in determinati momenti della giornata e assegniamo un periodo specifico al lavoro e al tempo libero. Sebbene tutta questa organizzazione sembri frutto del caso, in realtà abbiamo un orologio biologico interno che detta tutte le nostre azioni dal momento in cui ci alziamo.

Il termine “orologio biologico” può creare una certa confusione, perché a volte gli attribuiamo determinate connotazioni che vanno oltre le capacità di questo sistema, o in mancanza di ciò, è difficile per noi capire fino a che punto il comportamento umano è determinato da una serie di cicli e ritmi. Continua a leggere per saperne di più su questi meccanismi e su come funziona il nostro orologio interno.

Cos’è un orologio biologico?

Come indicato dall’Istituto Nazionale di Scienze Mediche Generali, l’orologio biologico è un dispositivo temporale naturale dell’organismo vivente che regola il ciclo dei ritmi circadiani. In altre parole, è un parametro biologico dipendente da una serie di meccanismi interni che sono sincronizzati con gli eventi ambientali.

Più che un singolo “orologio biologico”, il corpo di tutti gli esseri viventi è costituito da diversi “orologi”, che si riferiscono a proteine specifiche che interagiscono con le cellule di tutto il corpo. Quasi tutti i tessuti e gli organi del corpo umano hanno orologi biologici e i geni che li codificano sono molto simili negli esseri umani, nelle piante, nei topi, nei funghi e in molti altri organismi.

Sebbene gli orologi biologici rappresentino una funzione astratta presente in quasi tutti i tessuti, va notato che esiste un luogo in cui tutta questa attività è centralizzata. Nello specifico ci riferiamo a un gruppo di circa 20.000 neuroni che compongono il nucleo soprachiasmatico. Vi raccontiamo le peculiarità di questa struttura nelle righe seguenti.

Il nucleo soprachiasmatico: orologio centrale dell’organismo umano

Come indicano gli studi, il nucleo soprachiasmatico (SCN) è il principale orologio biologico del corpo. Attraverso varie proiezioni, questa struttura sincronizza i ritmi periferici e stimola la ghiandola pineale attraverso un percorso polisinaptico in modo che rilasci la melatonina, un ormone che svolge un ruolo essenziale nei cicli del sonno (tra l’altro).

Il QNS si trova nella sezione mediale dell’ipotalamo ed è costituito da circa 20.000 neuroni dorsali al chiasma ottico (da cui il nome). A sua volta, il nucleo soprachiasmatico può essere suddiviso in due sezioni: ventrolaterale (nucleo) e dorsolaterale (corteccia).

Queste sezioni differiscono nell’espressione dei loro geni e nel modo in cui si sincronizzano con i ritmi esterni. Mentre il nucleo del QNS risponde agli stimoli, la corteccia esprime i geni in modo costitutivo, cioè sono permanentemente trascritti, indipendentemente dalle condizioni ambientali.

Quando parliamo di “espressione” dei geni ci riferiamo ai meccanismi di trascrizione e traduzione. In parole povere, a volte le proteine codificate dal genoma vengono sintetizzate dopo l’esposizione a uno stimolo ambientale (esprimendo così l’evento codificato), mentre in altri casi la sintesi del materiale proteico è ininterrotta.

La ghiandola pineale

Il portale Cancer.gov definisce la ghiandola pineale come “un piccolo organo situato nel cervello che produce melatonina”. È anche conosciuto come “corpo pineale” e “organo pineale”, sebbene la loro funzione sia sempre la stessa. Istologicamente, è descritto come una piccola ghiandola endocrina grigio-rossastra (che rilascia ormoni nel sangue) e delle dimensioni di un chicco di riso.

Comprendere il ruolo della ghiandola pineale nell’orologio biologico centrale è molto complesso, quindi lo riassumeremo in un paio di idee di base. Iniziamo evidenziando che le cellule fotosensibili presenti nell’occhio umano rilevano la presenza di luce durante il giorno e inviano i relativi segnali al nucleo soprachiasmatico.

I segnali circadiani creati viaggiano al nucleo paraventricolare, al midollo spinale, al ganglio cervicale superiore e infine alla ghiandola pineale. Questa piccola struttura interpreta le informazioni fornite dal QNS e produce (o non produce) di conseguenza la melatonina, che oggi conosciamo come “l’ormone del sonno”. In poche parole, più melatonina viene sintetizzata meno luce c’è.

L’orologio biologico e i ritmi

Ora sai cos’è l’orologio biologico centrale e come regola il nostro ciclo del sonno in modo superficiale. In ogni caso, va notato che questo intricato sistema non funziona da solo, poiché l’esistenza di determinati “ritmi” o “schemi” è necessaria per influenzarne il funzionamento.

Questi parametri sono noti come ritmi biologici e si riferiscono ad una serie di oscillazioni nelle variabili ambientali e interne dell’organismo. I ritmi ci modulano come esseri viventi, poiché tutte le nostre attività vitali si manifestano sempre con una variazione regolare (e non come un continuum immobile). Nelle righe seguenti, esploriamo i diversi tipi di ritmi che esistono.

Ritmi cardiaci

Senza dubbio, sono i più conosciuti in questo campo. Il NIH definisce questi parametri come “oscillazioni di variabili biologiche a intervalli regolari di tempo”. Tutti gli esseri viventi hanno ritmi circadiani legati all’orologio biologico che si ripetono ciclicamente ogni 24 ore. Questi iniziano nel corpo ( endogeni ) e rispondono a stimoli esterni ( esogeni ).

Perché un ritmo circadiano possa essere considerato tale, deve soddisfare le seguenti caratteristiche:

1. È endogeno e persiste senza la presenza di segnali temporali: i ritmi circadiani si ripetono ogni 24 ore anche se le condizioni ambientali sono costanti (ad esempio, il buio per tutto il giorno). Sebbene sia vero che questi parametri rispondono a stimoli esterni al corpo dell’animale, sono in grado di persistere indipendentemente dall’ambiente.
2. È suscettibile di sincronizzazione ( trascinamento ): i ritmi circadiani possono essere ripristinati se il corpo è esposto a determinate condizioni ambientali, come luce e calore. Un esempio molto chiaro di ciò si ha quando si viaggia da un continente all’altro; anche se le condizioni cambiano, le routine si adattano e vengono mantenute.
3. Si desincronizza di fronte a determinate condizioni di disturbo: se un essere umano è esposto a una luce intensa per 24 ore, continuerà a mantenere i suoi ritmi circadiani come concetto, ma questi verranno interrotti e non funzioneranno bene. Ciò significa che esistono indipendentemente dall’ambiente, ma sono modulati da esso.

I ritmi circadiani sono regolati dall’orologio biologico (o orologi biologici) presente nel corpo. Il meccanismo che meglio esemplifica questo conglomerato terminologico è il circuito nucleo soprachiasmatico-ghiandola pineale-melatonina. Questo dipende dal fotoperiodo e la quantità di questo ormone sintetizzato varia a seconda delle ore di luce a cui è esposto il corpo.

Tuttavia, va notato che i ritmi circadiani vanno ben oltre la produzione di melatonina. La secrezione di questi ormoni è modulata anche dalle seguenti sostanze:

• Ormone adrenocorticropico.
• Ormone stimolante la tiroide.
• Cortisolo.
• Ormone che stimola i follicoli.
• Ormone luteinizzante.

Ritmi lunari

Sebbene i circadiani siano i più conosciuti, non sono gli unici ritmi esistenti. Ad esempio, le variazioni lunari ( ritmi seleniani ) sono molto importanti per spiegare certi comportamenti negli esseri viventi. Alcuni cicli biologici si verificano in una fase specifica della luna, mentre altri si verificano in un ciclo specifico o nel mezzo di esso.

Diversi studi hanno esplorato l’effetto dei cicli lunari sul sonno e sul comportamento umano, ma i risultati rimangono controversi. Ad oggi, molto resta da studiare per raggiungere lo stesso livello di conoscenza in questo settore come in quello dei ritmi circadiani.

Altri ritmi e l’orologio biologico

Successivamente, ti presentiamo un elenco di altri ritmi che non sono né lunari né circadiani. È prevedibile che questi influiscano anche sul funzionamento dell’orologio biologico umano, ma resta ancora molto da indagare:

• Ritmi infraradiani: sono quelli che durano più di 24 ore. Un esempio molto chiaro in questo settore è il ciclo mestruale (dura 1 mese).
• Ritmi ultradiani: durano meno di 24 ore. Il ciclo di decongestione nasale avviene ogni 4 ore.
• Ritmi di marea: le maree salgono e scendono a intervalli di 12 ore. Gli animali marini regolano il loro periodo di attività in base a questo parametro.

In tutti i ritmi biologici, il periodo di maggiore attività è noto come acrofase. Quando invece i processi interni sono meno attivi, si dice che l’essere vivente è nella batifase. L’ ampiezza registra la differenza tra i due periodi lungo il ritmo biologico.

L’orologio biologico e la mente umana

L’orologio biologico controlla i ritmi circadiani e, a sua volta, questi ultimi modulano le risposte fisiologiche dell’organismo. Il risultato dopo l’esposizione agli stimoli sembra abbastanza diretto (se si produce melatonina ed è buio, l’essere umano si addormenta), ma non è proprio così. In effetti, la scienza si sta rendendo sempre più conto che l’orologio biologico va ben oltre la produzione di ormoni.

Uno studio molto interessante pubblicato sulla rivista Frontiers in Behavioral Neuroscience ha esplorato il ruolo dell’orologio biologico nei circuiti di rabbia e aggressività degli esseri viventi. Per questo sono state formulate le seguenti ipotesi:

1. Ci sono ritmi prevedibili per comportamenti aggressivi e arrabbiati negli animali.
2. L’interruzione dei ritmi circadiani incoraggia l’aggressività.
3. L’espressione cronica della rabbia potrebbe ostacolare il corretto funzionamento dei ritmi fisiologici. Ciò potrebbe favorire la comparsa di determinate condizioni, come le malattie cardiovascolari.

La variazione stagionale nel dominio emotivo è stata dimostrata negli animali non umani secondo i ritmi infradiani. In generale, gli esseri viventi diventano molto più territoriali e ostili quando selezionano territori o si accoppiano. In altre parole, il loro orologio biologico impone loro di attaccare altri della loro specie (o di specie diverse).

Nella nostra specie resta ancora molto da indagare, ma si intuisce che certi esseri umani con determinati ritmi circadiani (diversi cronotipi) sono più inclini all’aggressività e all’aggressività. Sono necessari ulteriori studi in questo settore, ma si spera che presto verrà trovata una forte correlazione.

Orologio biologico e ritmi circadiani: l’ambiente ci dà la vita

In questo spazio abbiamo trattato concetti abbastanza complessi, ma tutti riassunti in una premessa: il centro dell’orologio biologico è il nucleo soprachiasmatico (NSQ) e vi sono molte altre “subunità” che lo compongono in quasi tutti i tessuti del corpo. I ritmi circadiani sono modulati da questo insieme di tessuti biologici e sono endogeni.

A seconda delle condizioni ambientali, i ritmi circadiani possono essere fuori regolazione o variare, ma ci saranno sempre, anche se le condizioni sono sempre le stesse. Senza dubbio, l’esempio migliore che viene in mente è il viaggio da un paese all’altro: al di là del jet lag iniziale, sei in grado di adattarti all’ambiente, giusto? Ora sai che il tuo orologio biologico è responsabile di questo e di molte altre cose.