zirkadianer Vorteil - Circadian advantage

Ein circadianer Vorteil ist ein Vorteil, der erzielt wird, wenn die biologischen Zyklen eines Organismus mit seiner Umgebung im Einklang stehen. Es ist kein gut untersuchtes Phänomen, aber es ist bekannt, dass es bei bestimmten Arten von Cyanobakterien auftritt , deren endogener Zyklen oder zirkadianer Rhythmus "mitschwingt" oder sich mit ihrer Umgebung ausrichtet. Es ist auch bekannt, dass es in Pflanzen vorkommt, was darauf hindeutet, dass jeder Organismus, der in der Lage ist, seine natürlichen Wachstumszyklen mit seiner Umgebung abzustimmen, einen Wettbewerbsvorteil gegenüber solchen hat, die dies nicht tun. Ein zirkadianer Vorteil kann sich auch darauf beziehen, dass sich Sportmannschaften einen Vorteil verschaffen, indem sie sich an die Zeitzone, in der ein Spiel ausgetragen wird, akklimatisieren.

In Organismen

Im Zusammenhang mit bakteriellen zirkadianen Rhythmen , insbesondere bei Cyanobakterien , bezieht sich zirkadianer Vorteil auf das verbesserte Überleben von Cyanobakterien-Stämmen, deren endogene Zyklen "mitschwingen" oder sich mit dem zirkadianen Rhythmus der Umgebung ausrichten . Betrachten Sie beispielsweise einen Stamm mit einer Freilaufperiode (FRP) von 24 Stunden, der mit einem Stamm mit einer Freilaufperiode (FRP) von 30 Stunden in einem Hell-Dunkel-Zyklus von 12 Stunden Licht kokultiviert wird und 12 Stunden Dunkelheit (LD 12:12). Die Sorte mit einem 24-Stunden-FRP wird die 30-Stunden-Sorte im Laufe der Zeit übertreffen.

Konkurrenzstudien an Pflanzen liefern ein weiteres Beispiel für einen circadianen Vorteil. Diese Studien haben gezeigt, dass eine endogene Uhr, die mit Umweltzyklen in Resonanz steht, zu einem Wettbewerbsvorteil bei Arabidopsis thaliana führt . Experimente mit Wildtyp, Mutanten mit kurzer zirkadianer Periode und Mutanten mit langer zirkadianer Periode zeigten, dass Pflanzen mit einer zirkadianen Periode, die optimal mit der Umgebung synchronisiert ist, am schnellsten wuchsen. Dieselbe Studie zeigte auch, dass die photosynthetische Kohlenstofffixierung direkt mit der „zirkadianen Resonanz“ korreliert. Eine andere Studie entdeckte, dass Gene, die an photosynthetischen Reaktionen von A. thaliana beteiligt sind, unter der Kontrolle der Uhr stehen. mRNAs, die Chlorophyll-bindende Proteine ​​kodieren, und das Enzym Protoporphyrin IX Magnesium-Chelatase, das an der Chlorophyll-Synthese beteiligt ist, kreisten . Die Produktivitätssteigerung durch „zirkadiane Resonanz“ kann aus einer angemessenen Vorwegnahme von Sonnenauf- und -untergang resultieren, die eine rechtzeitige Synthese von lichtsammelnden Komplexproteinen und Chlorophyll ermöglicht. Daher unterstützt der Wettbewerbsvorteil bei A. thaliana die Idee, dass die Antizipation von Umweltveränderungen zu einer verbesserten Fitness führt.

Rhodopseudomonas palustris ist ein weiteres Beispiel für den Vorteil eines biologischen Timing-Systems, das mit den Umweltzyklen interagiert. Während die Cyanobakterien die einzige prokaryontische Gruppe mit einem wohlbekannten zirkadianen Zeitmessungsmechanismus sind, haben neuere Entdeckungen mit R. palustris alternative Zeitmessungsmechanismen unter den Prokaryonten vorgeschlagen. R. palustris ist ein violettes Nicht-Schwefel-Bakterium , das KaiB- und KaiC- Gene besitzt und ein adaptives kaiC- abhängiges Wachstum in zyklischen 24- Stunden- Umgebungen zeigt. Es wurde jedoch berichtet, dass R. palustris einen schwach selbsterhaltenden intrinsischen Rhythmus zeigte und eine kaiC- abhängige Wachstumsverstärkung unter konstanten Bedingungen nicht vorhanden war. Das R. palustris- System wurde als zirkadianer „Proto“ -Zeitmesser vorgeschlagen, der einige Teile zirkadianer Systeme aufweist ( kaiB- und kaiC- Homologe), aber nicht alle.

Ebenso unterstützt die Forschung zu den endogenen zirkadianen Zeitmessungsmechanismen bei Mäusen weiter, dass die "zirkadiane Resonanz" evolutionär adaptiv ist. Eine Studie verglich insbesondere die Fitness von Wildtyp-Mäusen mit mutierten Mäusen, die einen kurzen freilaufenden zirkadianen Zyklus aufwiesen. Diese Mäuse hatten eine Mutation im Casein-Kinase 1Ɛ-Gen, das für ein Enzym kodiert, das bei der Kontrolle der circadianen Zykluslänge eine wichtige Rolle spielt. Eine gemischte Gruppe von Wildtyp- und Mutanten-Mäusen wurde dann in einem Freiluft-Versuchsgehege freigelassen und nach einer Zeitspanne von 14 Monaten wurden die Mäuse überwacht. Die Wildtyp-Mäuse überlebten beide länger und vermehrten sich schneller als die mutierten Mäuse. Tatsächlich wurde der mutierte Genotyp stark selektiert, was auf eine natürliche Selektion hin zu jenen Genotypen hindeutet, die mit dem natürlichen LD-Zyklus in Resonanz sind.

Es ist möglich, dass zirkadiane Uhren eine Rolle beim Verhalten der Darmmikrobiota spielen. Diese Mikroorganismen erfahren tägliche Veränderungen, die mit täglichen Licht-Dunkel- und Temperaturzyklen korreliert sind. Dies geschieht durch Verhaltensweisen wie Fressrhythmen im Alltag (Tageskonsum bei tagaktiven Tieren und nachts bei nachtaktiven Tieren). Die Anwesenheit eines täglichen Zeitmessers könnte diesen Bakterien einen Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen verschaffen. Indem es den Bakterien ermöglicht wird, vom Wirt kommende Ressourcen zu spüren, um sie schneller vorzubereiten und zu verstoffwechseln. Es gibt Bakterien, die tägliche Zeitmesser haben, und es kann möglich sein, dass die Mikrobiota über endogene Uhren verfügt, die mit biologischen Uhren des Wirts kommunizieren. Wenn beispielsweise die Mikroorganismen im Darm einige Zeiterfassungseigenschaften aufweisen, ist es möglich, dass sie das zirkadiane System des Wirts beeinflussen. Bei einigen mikrobiellen Spezies kann eine endogene Uhr vorhanden sein, und das Vorhandensein eines solchen intrinsischen Zeitmessers könnte sowohl im Darm (der tägliche Veränderungen der Nährstoffverfügbarkeit erfährt) als auch in der Umgebung außerhalb des Wirts (der täglichen Lichtzyklen unterliegt) von Vorteil sein Temperatur).

Im Sport

Im Wettkampfsport ist ein circadianer Vorteil der Vorteil einer Mannschaft gegenüber einer anderen aufgrund ihres relativen Grades der Gewöhnung an eine Zeitzone gegenüber ihrem Gegner. Während dieses Konzept 1997 von Forschern in Stanford und an der University of Massachusetts erforscht wurde , wurde der Begriff 2004 von Dr. W. Christopher Winter geprägt , einem Schlafspezialisten und Neurologen, der die Auswirkungen von Reisen zwischen Zeitzonen auf die Major League Baseball untersucht (MLB) Leistung. Diese Studie wurde mit einem Stipendium durch MLB zu einer zehnjährigen retrospektiven Studie erweitert, die von Dr. Winter und seinem wissenschaftlichen Assistenten Noah H. Green, damals noch Student an der University of Virginia, abgeschlossen wurde . Die Arbeit wurde 2008 auf der 22. Jahrestagung der Associated Professional Sleep Societies in Baltimore , Maryland, vorgestellt.

Unter Verwendung der Konvention, dass für jede durchquerte Zeitzone die Synchronisierung mit dieser Zeitzone einen Tag erfordert, können Teams während einer Saison analysiert werden, um zu sehen, wo sie sich in Bezug auf ihre Zeitzone des Spiels befinden. Betrachten Sie zum Beispiel die Washington Nationals . Wenn sie in den letzten 3 Tagen oder länger zu Hause an Wettkämpfen teilgenommen haben, wären sie vollständig an die Eastern Standard Time (EST) gewöhnt. Wenn sie nach Los Angeles reisen würden, hätten sie bei der Ankunft 3 Stunden frei, weil sie 3 Zeitzonen nach Westen reisten. Alle 24 Stunden, die sie an der Westküste verbringen, würden sie der Akklimatisierung 1 Stunde näher bringen. Nach 24 Stunden in Los Angeles wären sie also 2 Stunden frei. Nach 48 Stunden wären sie 1 Stunde frei, und nach 72 Stunden würden sie sich an die Westküstenzeit akklimatisieren und würden so bleiben, bis sie ihre Zeitzone verlassen.

Anders als der Heimvorteil, der immer dann gegeben ist, wenn zwei Mannschaften ein Spiel spielen, das nicht an einem neutralen Ort stattfindet, gilt der zirkadiane Vorteil nicht für alle Spiele. In einer typischen MLB-Saison gilt dies für etwa 20 % der Spiele, bei denen die anderen 80 % mit Teams mit gleichem circadianen Vorteil gespielt werden. Bei Sportarten, die mehr Zeit zwischen den Spielen zulassen, kann dies für deutlich weniger Spiele gelten. Der zirkadiane Vorteil ist bei Sportarten mit erheblichen internationalen Reisen ein viel größeres Problem.

Der zirkadiane Vorteil ist am signifikantesten, wenn ein Team einen 3-Stunden-Vorsprung (oder mehr) gegenüber einem anderen hat. Dieses Matchup tritt nur nach sehr langen Flügen auf, bei denen das reisende Team kurz nach der Ankunft spielt, am häufigsten von Küste zu Küste in großen nordamerikanischen und australischen Ligen. Wenn die Größe der Zeitzonenunterschiede zwischen zwei Teams kleiner wird, nimmt auch der zirkadiane Vorteil ab.

Im Jahr 2018 wurden vom Walter Reed Army Institute of Research gesammelte Pilotdaten auf dem jährlichen SLEEP-Meeting der American Academy of Sleep Medicine präsentiert, die darauf hindeuteten, dass die Teams der National Football League aufgrund des zirkadianen Vorteils nachts besser abschneiden als am Tag. Es zeigte auch, dass die Teams nachts weniger Turnover hatten.

Verweise

Weiterlesen