Đồng hồ sinh học là bộ máy bên trong tế bào giúp cơ thể chạy theo nhịp gần 24 giờ, kể cả khi không nhìn thấy mặt trời. Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2017 trao cho ba nhà khoa học Mỹ Jeffrey Hall, Michael Rosbash và Michael Young vì đã tìm ra cơ chế phân tử của chiếc đồng hồ này — bắt đầu từ một gen có tên period ở ruồi giấm.
Câu chuyện đi từ một cây trinh nữ đặt trong tủ tối ở Paris thế kỷ 18, qua những con ruồi giấm đột biến trong phòng thí nghiệm, tới hiểu biết rằng gần như mọi tế bào trong người ta đều có đồng hồ riêng.
Từ chiếc lá trinh nữ đến khái niệm "nhịp ngày đêm"
Năm 1729, nhà thiên văn Pháp Jean-Jacques d'Ortous de Mairan để ý một cây trinh nữ (mimosa) xoè lá ban ngày, cụp lá ban đêm. Ông đặt cây vào chỗ tối liên tục và thấy lá vẫn xoè cụp đúng nhịp. Cây không cần nhìn thấy mặt trời để biết ngày đêm. Đó là bằng chứng đầu tiên được ghi lại cho một đồng hồ bên trong sinh vật.
Hơn hai thế kỷ sau, nhà sinh học Franz Halberg đặt ra từ circadian (từ tiếng Latin circa diem — "khoảng một ngày") cho những nhịp như vậy. Chữ "khoảng" rất quan trọng: đồng hồ bên trong không chạy đúng 24 giờ mà xê dịch đôi chút, và phải được ánh sáng mỗi ngày chỉnh lại. Nhà sinh học Đức Jürgen Aschoff gọi những tín hiệu chỉnh giờ ấy là Zeitgeber — "người cho thời gian". Ánh sáng là Zeitgeber mạnh nhất; bữa ăn, vận động, nhiệt độ, sinh hoạt xã hội cũng góp phần.
Ở người, một trong những thí nghiệm nổi tiếng nhất diễn ra năm 1938: Nathaniel Kleitman và Bruce Richardson sống 32 ngày trong hang Mammoth, Kentucky, cố sống theo ngày 28 giờ. Thân nhiệt của Kleitman không chịu theo lịch mới. Chuyện này được kể kỹ trong bài lịch sử khoa học giấc ngủ.
Ruồi giấm và gen period
Năm 1971, Ronald Konopka và Seymour Benzer ở Viện Công nghệ California (Caltech) tìm ra những con ruồi giấm đột biến có nhịp sinh học bất thường: dòng thì nhịp khoảng 19 giờ, dòng khoảng 28 giờ, dòng mất nhịp hẳn. Cả ba đột biến nằm ở cùng một gen, họ đặt tên là period. Đó là lần đầu tiên người ta thấy một gen điều khiển nhịp ngày đêm. Nhưng gen làm việc đó thế nào thì chưa ai biết.
Năm 1984, hai nhóm cùng tách được gen period: Jeffrey Hall và Michael Rosbash ở Đại học Brandeis (Boston), và Michael Young ở Đại học Rockefeller (New York). Từ đây, cả ba lần ra cơ chế trong suốt thập niên 1990.
Cơ chế: một vòng tự hãm kéo dài gần 24 giờ
Nguyên lý có thể kể bằng vài bước:
- Gen period được "đọc" để làm ra protein PER.
- Ban đêm, PER tích tụ trong bào tương rồi đi vào nhân tế bào.
- Trong nhân, PER hãm chính gen đã tạo ra nó — sản xuất giảm dần.
- Ban ngày, PER bị phân huỷ dần; khi đã giảm đủ, phanh được nhả, gen lại được đọc. Vòng lặp mới bắt đầu.
Hall và Rosbash đề xuất mô hình vòng phản hồi âm này năm 1990. Nhưng còn một câu hỏi: PER vào nhân bằng cách nào? Năm 1994, Michael Young tìm ra gen thứ hai, timeless; protein TIM bắt cặp với PER và giúp nó đi vào nhân. Young còn tìm ra gen doubletime, mã hoá một enzyme làm PER phân huỷ chậm lại — thứ quyết định độ dài vòng lặp gần 24 giờ.
Các nghiên cứu sau đó ở chuột và người tìm thấy những gen tương tự (người có PER1, PER2, PER3, cùng CLOCK, BMAL1, CRY…). Cơ chế cơ bản được giữ nguyên qua hàng trăm triệu năm tiến hoá, từ ruồi đến người.
| Năm | Mốc | Người thực hiện |
|---|---|---|
| 1729 | Lá trinh nữ vẫn xoè cụp theo nhịp trong bóng tối | Jean-Jacques d'Ortous de Mairan |
| 1938 | 32 ngày trong hang Mammoth thử ngày 28 giờ | Nathaniel Kleitman, Bruce Richardson |
| 1971 | Ruồi đột biến gen period | Ronald Konopka, Seymour Benzer |
| 1984 | Tách được gen period | Hall và Rosbash; Young (hai nhóm độc lập) |
| 1990 | Mô hình vòng phản hồi PER tự hãm | Hardin, Hall, Rosbash |
| 1994 | Gen timeless | Nhóm Michael Young |
| 2017 | Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học | Hall, Rosbash, Young |
Đồng hồ chủ và hàng nghìn đồng hồ phụ
Ở động vật có vú, đồng hồ "chủ" nằm ở nhân trên chéo (SCN) trong vùng dưới đồi — một cụm khoảng hai vạn tế bào thần kinh, chia hai bên, mỗi bên nhỏ cỡ hạt gạo. SCN nhận ánh sáng trực tiếp từ mắt qua một đường thần kinh riêng. Điều bất ngờ là tín hiệu ánh sáng này không chủ yếu đến từ tế bào que và nón dùng để nhìn, mà từ một nhóm tế bào hạch võng mạc chứa sắc tố melanopsin, đặc biệt nhạy với ánh sáng xanh lam. Vì vậy một số người mù hoàn toàn về thị giác vẫn giữ được nhịp sinh học theo ánh sáng.
Từ SCN, tín hiệu lan ra khắp cơ thể qua thần kinh và hormone. Gan, tim, phổi, mô mỡ, ruột, da… mỗi nơi có đồng hồ phân tử riêng, chạy theo cùng nguyên lý PER – TIM (ở người là PER – CRY). Khi ta ăn lúc nửa đêm, đồng hồ của gan có thể bị kéo theo bữa ăn trong khi đồng hồ chủ vẫn theo ánh sáng — các đồng hồ lệch nhau. Đây là hướng nghiên cứu đang được quan tâm với người làm ca đêm.
Đồng hồ của người chạy nhanh hay chậm
Khi sống trong điều kiện không có tín hiệu thời gian, đồng hồ của phần lớn người lớn chạy dài hơn 24 giờ một chút. Nghiên cứu của nhóm Charles Czeisler (Harvard) công bố năm 1999 ước tính trung bình khoảng 24 giờ 11 phút, với dao động nhỏ giữa các người. Đồng hồ hơi dài giải thích vì sao ta dễ thức khuya thêm hơn là dậy sớm thêm, và vì sao bay về phía tây (ngày dài ra) thường dễ thích nghi hơn bay về phía đông.
Mỗi người còn có "giờ đặt" khác nhau — người hợp thức khuya, người hợp dậy sớm. Đó là chuyện chronotype, có bài riêng trong danh mục Nhịp ngủ & thói quen. Một số dạng đột biến gen PER2 hiếm gặp liên quan đến hội chứng ngủ sớm dậy sớm bất thường trong vài gia đình được nghiên cứu.
Nhịp sinh học điều khiển những gì
- Thân nhiệt: thấp nhất khoảng gần sáng, cao nhất chiều tối.
- Melatonin: tăng trong bóng tối buổi tối, cao nhất giữa đêm.
- Cortisol: tăng vọt khoảng sau khi thức dậy.
- Huyết áp, nhịp tim: hạ ban đêm, tăng buổi sáng.
- Tiêu hoá, chuyển hoá đường: khả năng xử lý đường huyết tốt hơn ban ngày so với đêm khuya ở phần lớn nghiên cứu.
- Độ tỉnh táo và giấc ngủ: cùng với áp lực ngủ, quyết định cửa ngủ mở lúc nào.
Góc nhìn hôm nay
Điều đáng mang về từ giải Nobel 2017 khá đơn giản: cơ thể có lịch, và lịch đó cần ánh sáng chỉnh mỗi ngày.
- Đón ánh sáng tự nhiên buổi sáng, dù chỉ ra ban công hay đi bộ ngắn — đó là tín hiệu chỉnh giờ mạnh nhất.
- Giảm sáng buổi tối: dùng đèn vàng dịu, tránh bật đèn trắng chói khi sắp ngủ. (Chuyện màn hình và ánh sáng xanh có bài ở wiki khác trong hệ.)
- Ăn uống có giờ: hạn chế ăn bữa lớn sát nửa đêm thường xuyên.
- Tìm đọc: thông cáo báo chí và tài liệu giải thích cho công chúng của Uỷ ban Nobel năm 2017 trên trang nobelprize.org viết rõ ràng, có hình minh hoạ. Cuốn Internal Time của Till Roenneberg (2012) dễ đọc về đồng hồ của từng người.
Nếu giờ ngủ của bạn lệch hẳn so với đời sống (ví dụ chỉ ngủ được lúc 4 giờ sáng dù đã cố đổi suốt nhiều tháng), ảnh hưởng tới học tập, công việc, thì đó có thể là rối loạn nhịp sinh học và nên đi khám chuyên khoa thần kinh, tâm thần hoặc đơn vị giấc ngủ của bệnh viện.
Câu hỏi thường gặp
Giải Nobel 2017 về đồng hồ sinh học trao cho ai?
Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2017 trao cho Jeffrey Hall, Michael Rosbash và Michael Young. Ba ông tìm ra cơ chế phân tử điều khiển nhịp ngày đêm, dựa trên gen period và gen timeless ở ruồi giấm.
Đồng hồ sinh học nằm ở đâu trong cơ thể?
Đồng hồ chủ nằm ở nhân trên chéo (SCN) trong vùng dưới đồi của não, nhận tín hiệu ánh sáng từ mắt. Ngoài ra, gần như mọi cơ quan như gan, tim, ruột đều có đồng hồ phân tử riêng, được đồng hồ chủ điều phối.
Vì sao gọi là nhịp circadian?
Circadian xuất phát từ tiếng Latin circa diem, nghĩa là khoảng một ngày. Đồng hồ bên trong không chạy đúng 24 giờ mà xê dịch một chút, ở người lớn trung bình hơi dài hơn 24 giờ, nên cần ánh sáng chỉnh lại mỗi ngày.
Gen period là gì?
Period là gen được tìm thấy ở ruồi giấm năm 1971, khi đột biến của nó làm nhịp ngày đêm dài ra, ngắn lại hoặc mất hẳn. Protein PER do gen này tạo ra tích tụ ban đêm rồi tự hãm chính gen của nó, tạo nên vòng lặp gần 24 giờ.
Ánh sáng ảnh hưởng đồng hồ sinh học thế nào?
Ánh sáng là tín hiệu chỉnh giờ mạnh nhất. Ánh sáng buổi sáng kéo đồng hồ về sớm, ánh sáng mạnh buổi tối đẩy đồng hồ về muộn và làm giảm melatonin. Vì vậy đón nắng buổi sáng và giảm đèn buổi tối giúp giữ nhịp ổn định.