Iedereen die wel eens een jetlag heeft gehad, kent de kracht van de biologische klok. Bijna alle organismen, van de mens tot de kleinste bacterie, hebben een ingebouwd systeem dat hen vertelt of het tijd is om te rusten of actief te zijn. De meeste biologische klokken 'tikken' autonoom, maar sommige bacteriën zijn afhankelijk van licht om hun klok elke dag te synchroniseren. Met behulp van wiskundige berekeningen, onderzoekers van AMOLF en de Universiteit van Michigan hebben nu aangetoond dat een autonome klok veel minder last heeft van ruis, zoals schommelingen in het zonlicht door bewolking. De onderzoeksresultaten zijn op 14 augustus online gepubliceerd, 2018, in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Vrijwel alle organismen hebben een dag-nachtritme, waardoor ze op vaste momenten van de dag eten en slapen, bijvoorbeeld. Dit ritme wordt bepaald door de eiwitconcentraties in de cellen van het organisme die over een periode van 24 uur schommelen. Deze omvatten de circadiane klok.

Jetlag

Bij de meeste soorten is de circadiane klok is niet afhankelijk van externe signalen zoals licht en duisternis. "Als je mensen of dieren zou opsluiten in een kamer zonder licht, dan zouden ze nog steeds behoefte hebben aan slaap of voedsel in een ritme van ongeveer 24 uur. Hoe dan ook, onze biologische klok is gevoelig voor licht en donker, " zegt Pieter Rein ten Wolde, die de groep Biochemical Networks leidt bij AMOLF. "De periode van ongeveer 24 uur is ingesteld, maar de fasen kunnen verschuiven. Als we naar de andere kant van de wereld reizen, dan hebben we tijd nodig om ons aan te passen - dit is het bekende fenomeen van jetlag. Echter, we pikken snel het verschoven dag-nachtritme van de nieuwe omgeving op."

Sommige bacteriën, echter, hebben wat biologen een zandloperklok noemen. Deze klokken moeten elke dag door licht worden gereset. Als dat niet gebeurt, dan stopt de klok met tikken. Ten Wolde:"Dergelijke zandloperklokken komen voor in bepaalde soorten cyanobacteriën, de blauwalgen die nu op veel plaatsen het zwemwater vervuilen. Andere cyanobacteriënsoorten hebben wel een autonome biologische klok, Hoewel. Met behulp van wiskundige modellen, we hebben onderzocht wat het voordeel is van autonome circadiane klokken."

Modellering

De onderzoekers ontdekten dat het effect van ruis verschilt voor de twee soorten klokken. Voor een biologische klok variaties in de intensiteit van zonlicht door bewolking, bijvoorbeeld, zijn een belangrijke geluidsbron. "We ontdekten dat autonome klokken veel minder gevoelig zijn voor dergelijke ruis, " zegt Ten Wolde. "We kunnen een zandloperklok modelleren als een slinger. Zolang een extern signaal het aanstuurt, het blijft in beweging. Een sterk aandrijfmechanisme zorgt voor oscillaties met een grote amplitude en dus een betere tijdsaanduiding. In het geval van een sterke koppeling, echter, kleine veranderingen in het ingangssignaal worden ook versterkt, waardoor het moeilijker is om de tijd nauwkeurig te bepalen. Omgekeerd, een zwakke koppeling beperkt de invloed van geluid, maar met zo'n zwakke koppeling, het is moeilijk om de oscillaties vast te houden, met andere woorden de slingerbeweging."

Het is daarom onmogelijk om het effect van ruis bij een zandloperklok te minimaliseren. Autonome klokken, anderzijds, goed blijven oscilleren zonder dat een extern aandrijfmechanisme nodig is. Voor deze klokken een zwakke koppeling met het buitenlicht is voldoende om de klok te resetten bij grote verschuivingen in het dagritme, zoals een reis naar een ander continent. Bijgevolg, autonome klokken ondervinden veel minder hinder van ruis en zijn robuuster. "We vonden dit resultaat zowel in de modellen die we specifiek ontwikkelden voor biologische klokken van cyanobacteriën als in een meer algemeen wiskundig model voor klokken, ", zegt Ten Wolde. "De betrouwbaarheid bij externe ruis is waarschijnlijk de reden dat alle hogere organismen een autonome biologische klok hebben. Waarom zandloperklokken nog steeds in de natuur worden gevonden, blijft onduidelijk. Hoewel deze in het nadeel zijn in het geval van externe ruis, zandloperklokken bieden mogelijk een voordeel als er veel ruis in het organisme is."