Đồng hồ sinh học và giải Nobel y học 2017

Khám phá về nhịp sinh học ngày đêm, đồng hồ sinh học, này giúp chúng ta hiểu được bí ẩn: Tại sao con người cần ngủ?, và Tại sao giấc ngủ lại diễn ra?

Nhịp sinh học là gì? Có bao nhiêu loại nhịp sinh học?

Nhịp sinh học (biological rhythm) là chu kỳ tự nhiên về những thay đổi trong cơ thể như nồng độ sinh hóa chất hoặc các chức năng. Nhịp sinh học đóng vai một đồng hồ “chủ" đồng bộ hóa các đồng hồ khác trong cơ thể. "Đồng hồ" sinh học này nằm trên não bộ, cấu thành từ hàng ngàn tế bào thần kinh giúp đồng bộ các chức năng và hoạt động thể chất, tinh thần và hành vi đáp ứng với ánh sáng và bóng tối. Tốm lại, đồng hồ điều chỉnh nhiều chức năng bao gồm: thời gian ngủ, sự thèm ăn, thân nhiệt, nồng độ các hormone, sự tỉnh táo, hoạt động thể chất, huyết áp, khả năng phản ứng…

Có bốn loại nhịp sinh học: (1) nhịp sinh học hàng ngày (circadian rhythms, light-dark cycle) chu kỳ 24 giờ bao gồm nhịp điệu sinh lý và hành vi như ngủ; (2) nhịp điệu ngày (diurnal rhythms) nhịp điệu sinh học được đồng bộ hóa với ngày và đêm; (3) nhịp sinh học ngắn (ultradian rhythms) nhịp sinh học với thời gian ngắn hơn và tần suất cao hơn; (4) nhịp sinh học dài (infradian): nhịp kéo dài hơn 24 giờ, như chu kỳ kinh nguyệt.

Nhịp hàng ngày hay “đồng hồ sinh học”

Vào năm 1984, Hall và Rosbash, cộng tác tại Đại học Brandeis, và Young, tại Đại học Rockefeller, độc lập đã phân lập được gen kiểm soát nhịp sinh học hàng ngày (circadian rhythm) ở con ruồi giấm. Gene này, được gọi là period (giai đoạn), mã hoá một protein đặt tên là PER, có nồng độ lượng đỉnh vào ban đêm và giảm vào ban ngày. Số lượng PER được kiểm soát bởi một cơ chế phản hồi ngược âm (negative feedback) ức chế tác dụng của nó.

Young đã khám phá ra các gen mã hóa cho các protein khác nhau liên quan đến nhịp sinh học. Protein TIMELESS liên kết với PER và giúp đưa nó từ bào tương (cytoplasm) đến nhân tế bào, nơi nó có thể ức chế sự biểu hiện gen period. Protein DOUBLETIME là một enzyme xúc tác việc phosphoryl hóa (phosphorylates kinase) protein PER và làm tăng sự thoái hóa nó. Sự thoái hóa PER xúc tác bởi DOUBLETIME sẽ làm chậm quá trình tích tụ protein PER, giúp cho đồng hồ 24 giờ được chạy đúng giờ.

Sau này, các nhà nghiên cứu khác đã xác định được nhiều gen khác tham gia vào chu kỳ này. Ví dụ, các protein CLOCK và CYCLE cũng điều chỉnh việc sản xuất PER và TIMELESS.

Các protein đồng hồ này được chia sẻ trong các sinh vật từ ruồi giấm đến người. Millar ĐH Edinburgh cho rằng: "Đồng hồ sinh học gần như phổ biến ở các tế bào sinh vật cao cấp chi phối việc tổ chức thời gian của tất cả các tế bào".

Nobel y học 2017: công trình về đồng hồ sinh học

Ba nhà khoa học Mỹ đã giành được giải Nobel về sinh lý học năm nay nhờ khám phá của họ về bộ máy sinh học siêu nhỏ kiểm soát nhịp điệu sinh học hàng ngày, đồng hồ sinh học, của cơ thể con người.

Ủy ban Nobel, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, nhận định "Những khám phá thay đổi mô hình của ba nhà khoa học đã đưa ra những nguyên tắc then chốt của đồng hồ sinh học và mở ra ngàng Thời sinh học (chronobiology)", và hy vọng rằng "Trong những năm tiếp theo, các thành phần phân tử khác của cơ chế đồng hồ đã được làm sáng tỏ, giải thích tính ổn định và chức năng của nó."

Đôi điều bàn luận

Đồng hồ sinh học là yếu tố chính của sinh vật sống trên trái đất, nó hiện diện trong mỗi tế bào của mỗi cơ thể, từ sinh vật từ đơn giản đến phức tạp, từ con vi khuẩn nhỏ bé đến một cây đại thụ.

Gần đây, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng mỗi người chúng ta đều có một "kiểu thời gian” (chronotype) khác nhau xác định về mặt di truyền học, nên thời gian ngủ “lý tưởng” trong chu kỳ 24 giờ. Phát hiện này giải thích lý do tại sao lại có người chỉ làm việc ban ngày (morning people, người buổi sáng) và người làm việc thâu đêm (night owl, “cú đêm"). Brian Resnick lập luận là do con người có thể thiết lập lịch trình làm việc riêng cho mình.

Nhiều yếu tố ngoại cảnh, môi trường có thể ảnh hưởng đến nhịp sinh học như ánh sáng mặt trời, thuốc lá, cà phê, dược phẩm…. Những tình huống sau đây cho thấy đồng hồ sinh học có ảnh hưởng rõ lên sức khỏe con người: (1) Hiện tượng jet-lag, thay đổi múi giờ khi đi máy bay, sẽ làm rối loạn giấc ngủ, gia tăng tỉ lệ mắc bệnh khác nhau; (2) Những người có giờ giấc công việc không ổn định, làm việc “ca ba”, làm ngoài giờ như: nhân viên y tế, lái xe, phi công, cong nhân đứng máy, nhân viên cảnh sát, lính cứu hỏa… thường có nguy cơ rối loạn nhịp sinh học cao cho nên họ phải nhận thêm phụ cấp độc hại, (3) Trong y khoa, ăn vào buổi tối có nguy cơ bệnh nội tiết và chuyển hoá tăng và nhịp sinh học cũng có ảnh hưởng đến chuyển hóa và tác dụng các loại dược phẩm: có thuốc phải uống buổi sáng, bụng đói có thuốc phải uống sau ăn…