Døgnrytme og årstidsvariasjoner. Barndommen står ofte frem i et forunderlig vakkert lys for oss. Vi husker soldagene best. Dette viser at lyset er noe grunnleggende for oss. Solen vekker oss opp og jager ofte tunge tanker bort.
Rundt 400 år før Kristus sa Hippokrates, legevitenskapens far, at «alle som ønsker å studere medisin skikkelig, først må gjøre seg kjent med årstidene og deres virkning på helsen». Årstidene påvirker døgnrytmen vår, og nobelpris i medisin og fysiologi gikk i 2017 nettopp til forskning på døgnrytmer.
Humøret og bevissthetsnivået vårt varierer med lysforholdene. Følelser og forelskelser er friskest om våren. Tungsinn og tristhet kommer helst om høsten. Hyppigheten av selvmord varierer gjennom året. Et eksempel fra planteverdenen er at gartneren får julerosene til å blomstre ved å variere forholdet mellom lys og mørke.
Humøret og bevissthetsnivået vårt varierer med lysforholdene. Følelser og forelskelser er friskest om våren.
Ofte er biologien på dette området utrolig presis: Testiklene til hamstere firedobles i størrelse når parringstiden nærmer seg. Noen hamstere er så finjusterte at kjønnskjertlene deres vokser når dagslengden er 12 timer og 15 minutter, mens de ikke vokser når dagslengden er 12 timer, altså 2 prosent kortere.
Evolusjonen har gitt oss mennesker her i nord svake årstidsrytmer, men sterke døgnrytmer. Nesten alle cellene i kroppen vår har en iboende rytme på cirka ett døgn. Vi kaller dem derfor cirkadianske. Det store flertallet av alle skapninger har cirkadianske rytmer. Selv mark som lever i totalt mørke nede i jorden, har det. Det antyder at deres forfedre en gang levde i lyset.
Lar vi mennesker bo i en bunkers hvor de fritt kan styre sin egen døgnrytme, vil de fleste innrette seg etter en døgnrytme som er rundt 25–27 timer. Det er sollyset som justerer døgnrytmene våre til 24 timer, men det er forskjell på folk. Vi har A-mennesker og B-mennesker. Mus er ekstreme B-individer og snur døgnet helt. De sover om dagen og jobber om natten.
Klokker styrer døgnrytmen. Det er «klokker» i nesten alle cellene våre, men en hovedklokke styrer alt. Forskerne fant den i to små organer inne i hodet vårt: de suprachiasmatiske kjernene, SCN-ene. De består av rundt 10 000 nerveceller og ligger tre centimeter bak øynene våre, nær det stedet der de optiske nervene fra øynene til hjernen krysser hverandre.
De suprachiasmatiske kjernene får signaler gjennom egne nervebunter fra øynene. Mange blinde mennesker har døgnrytmer som er uregelmessige og løper nesten fritt. Til sin store forbauselse fant forskerne at lyset likevel virket på døgnrytmene hos enkelte blinde mennesker, selv om de ikke hadde noen lysfornemmelse. Lyssignalene til de suprachiasmatiske kjernene må derfor oppstå i egne, lysfølsomme celler i netthinnen i øyet, og ikke i stavene eller tappene, der synet har sitt sete.
Det er «klokker» i nesten alle cellene våre, men en hovedklokke styrer alt. Forskerne fant den i to små organer inne i hodet vårt: de suprachiasmatiske kjernene, SCN-ene.
Synsinntrykk blir til når lyskvanter fanges inn av rhodopsinmolekyler og vrir på disse. Vridninger forårsaker små forandringer i synscellene slik at ioner slipper lettere gjennom for en kort periode. Neveimpulser sendes ut, og synsinntrykk oppstår. Signalene som påvirker døgnrytmene, fanges på lignende vis inn av melanopsinmolekyler. Cellene som formidler disse signalene, reagerer lite på kortvarige, intensitetsvariasjoner av lyset. Det ville jo vært leit om lysblinket fra en blitz forandret døgnrytmen vår!
I 1998 ble det i tidsskriftet Science publisert en artikkel om at døgnrytmene kunne påvirkes av lys som faller inn på andre deler av kroppen enn øynene. Dette ble forklart ved at litt lys når inn til blodårene i huden, og at dette lyset forandrer bindingen av gassene nitrogenoksid og karbonmonoksid til hemoglobin. Hemoglobin er det røde fargestoffet i blodet som har til hovedoppgave å frakte oksygen fra lungene til musklene. De to nevnte gassene virker inn på nervenes ledningsevne. Senere eksperimenter har imidlertid ikke stadfestet funnene, så saken er ennå uavklart.
Jevn rytme. Cellene i de suprachiasmatiske kjernene har en rytme som er utrolig jevn. Slingringen fra periode til periode er på bare 1 promille. De fleste biologiske reaksjoner går fortere når temperaturen øker, men de rytmene vi nå snakker om, er faktisk justert slik at temperaturvariasjoner har liten virkning på dem. Det viser hvor viktige de er. En god klokke må gå jevnt og uavhengig av temperaturen. Hvis de suprachiasmatiske kjernene blir ødelagt, for eksempel av en svulst, blir også døgnrytmene borte.
De suprachiasmatiske kjernene har betydning for mer enn døgnrytmene. De står i nær kontakt med hormonproduksjonen i kroppen. For eksempel er testosteronnivået hos unge menn høyest klokken 8 om morgenen og lavest klokken 20 om kvelden. En underavdeling av de suprachiasmatiske kjernene, et lite område på bare 0,25 mm³ er følsomt for et stoff som heter vasopressin. Det får nyrene til å holde på vann og mot-virker dermed vannlating. Videre øker det blodtrykket, fordi det får årene til å trekke seg sammen. Vasopressinreaksjonene i dette området varierer med årstid og tid på døgnet omtrent på samme måte som testosteron.
Størrelsen og formen på det lille spesielle området av SCN-ene er forskjellig hos menn og kvinner. Antallet av vasopressinfølsomme nerveceller i SCN-ene er ca. 80 prosent større om natten enn om dagen, og to til tre ganger større om høsten enn om sommeren.
Disse nervecellene har altså både en døgnvariasjon og en årstidsvariasjon, og det ser ut til at variasjonene er større hos unge enn hos gamle. Nivået av nervesignalmolekylet serotonin i hypothalamus i hjernen har lignende variasjoner. Det nevnte området avtar med alderen, særlig hos menn, og er faktisk størst ved ettårsalderen. Hos Alzheimer-pasienter er det ekstra lite. Lysreseptorene i øyet er også ofte svekket hos slike pasienter.
Fra de suprachiasmatiske kjernene sendes det signaler til en annen hjerneregion, den paraventrikulære kjerne. Når denne får beskjed fra de suprachiasmatiske kjernene om at det er mørkt, videreformidler den denne beskjeden, via en omvei ned i øvre del av ryggmargen, til en annen kjertel i hjernen, epifysen, eller konglekjertelen som den også kalles, fordi den har fasong som en furukongle. Hos enkelte små dyr, som firfisler og små fugler, kan lyset nå inn til epifysen og virke direkte på den, slik at den virker som et «tredje øye». Mørkesignalet får epifysen til å skille ut hormonet melatonin, som også kalles mørkehormonet, fordi det lages og sendes ut i blodbanen om natten. Nattverdiene er større om sommeren enn om vinteren.
Klokkene styres av proteiner. Som allerede nevnt, har nesten alle cellene i kroppen vår døgnklokker. Disse styres av gener som lager «klokkeproteiner». De går ut av cellekjernene og binder seg til hverandre etter et komplisert mønster. Bindingen gjør at de blir mer stabile. Etter hvert som det blir flere av dem, vil noen gå inn i cellekjernene igjen. Der binder de seg til DNA og stopper produksjonen av seg selv. Etter hvert brytes klokkeproteinene ned, løsner fra DNA, og genene kan igjen fritt starte produksjonen. Slik oppstår døgnsyklusen av klokkeproteinene.
I 1990-årene ble flere viktige klokkegener oppdaget. Et av disse hos bananfluen kalles per (forkortelse for periode). Mutasjon i det forandrer periodelengden av fluens døgnrytme. Muteres et annet klokkegen, som kalles tim, mister bananfluen døgnrytmen helt. Hamstere med mutasjon i ett av tau-genene (klokkegener) har en døgnrytme på 22 timer i stedet for 24. Mutasjon i begge tau-genene gir hamstrene en døgnrytme som varer 20 timer.
NPAS2 er et annet klokkeprotein. Det ligner på hemoglobin, kan binde karbonmonoksid og selv bindes til DNA. Nærvær av karbonmonoksid forandrer DNA-bindingen. Siden lys kan påvirke karbonmonoksid-bindingen, er dette en mulig forklaring på lysets klokkejusterende virkning.
Det er i løpet av få år oppdaget mange klokkegener. Systemet er intrikat. I 2003 fant man at mer enn 1000 gener i lever- og hjertevev hos mus varierte etter 24-timers perioder.
Flytter vi oss fra en tidssone til en annen, må døgnklokkene i alle cellene våre omstilles til den nye rytmen av lys og mørke. Man kan lett komme i ulage om forskjellige klokker viser forskjellige tider. Dette kalles jetlag. En slags jetlag får også skiftarbeidere og mennesker som snur døgnrytmen. De er mer utsatt enn andre for å få hjertesykdommer, fordøyelsesplager og søvnproblemer. Lysbehandling om morgenen, eller en melatonintablett om kvelden, kan hjelpe mot jetlag.
En slags jetlag får også skiftarbeidere og mennesker som snur døgnrytmen. De er mer utsatt enn andre for å få hjertesykdommer, fordøyelsesplager og søvnproblemer.
Kroppstemperatur og søvn følger hverandre hos sunne mennesker. Temperaturen er lavest i halv fem-tiden om morgenen. A-menneskene begynner å «varme opp» tidligere enn B-menneskene, i god tid før de våkner. B-menneskene synes å ha en litt langsommere cirkadiansk rytme enn A-menneskene. Hos personer med kronisk utmattelsessyndrom ser det ut til at de to rytmene er ekstra dårlig samkjørte og dessuten variable.
Mørketidsdeppa. Vi hører ofte om vinterdepresjon, eller, mer presist, vinternedtrykthet. Søvnforskerne kaller dette problemet «seasonal affective disorder», SAD.
De fleste studier viser at SAD øker i omfang med økende breddegrad: I USA er 1–2 prosent av befolkningen rammet, mens i Norge er hyppig-heten antagelig omtrent 5 prosent, kanskje over 10 prosent blant kvinner i Nord-Norge. Lidelsen starter ofte i 20-årene.
Friske personer har en melatoninproduksjon som varer cirka ni timer pr. døgn, sommer som vinter, mens SAD-pasienter har en produksjonsperiode som er kortere om sommeren, og som dessuten er ujevn.
SAD-symptomene varer fire-fem måneder om vinteren. Da er pasientene nedstemte og har ofte angstfølelser. I mørketiden føler de et sug etter søtsaker, og legger da på seg. Aktivitetsnivået reduseres, søvnbehovet blir større og kvinner får uregelmessig menstruasjon.
Lysten på sukkertøy og sjokolade er kroppens måte å bedre humøret på: Inntak av karbohydrater fører til insulinproduksjon. Insulin gir økt opptak av de fleste aminosyrene, men ikke av tryptofan. Den relative tryptofan-mengden i blodet øker dermed under sukkerspising. Tryptofan omdannes til serotonin, som gir bedre overføring av nerveimpulser, og regulerer søvnbehovet og humøret.
Hjerneaktivitet kan måles ved såkalt EEG, elektroencefalografi. Under SAD-episoder er hjerneaktiviteten svakere enn normalt og mer usymmetrisk fordelt i høyre og venstre hjernehalvdel. En stor del av SAD-pasientene har nytte av lysbehandling. En halv times tid om morgenen i lys med en intensitet på 10 000 lux er en mye brukt behandlingsform. Dette gir en bedring, både av subjektive symptomer som nedstemthet og trøtthet, og av objektive fysiologiske forhold som kan måles med EEG. I et godt opplyst rom er lysintensiteten 300–500 lux, mens midt på dagen ved ekvator er den 80 000 lux.
Det er derfor liten grunn til å tro at 10 000 lux skulle ha noen skadevirkning på øynene. En lavere intensitet gitt tidligere på morgenen kan også ha god virkning.
Fargen på lyset er også av betydning. Siden lysbehandling virker, antas det at SAD skyldes uregelmessigheter i de cirkadianske rytmene. Kanskje SAD ville være et mindre problem om vi lot soluret bestemme døgnrytmen vår, vinter som sommer, slik man gjorde før i tiden? SAD er noe arvelig, men kan også forårsakes av miljøfaktorer. De suprachiasmatiske kjernene hos et foster kan skades av morens alkoholmisbruk. Dette kan kanskje også gjelde SAD. En studie viste at 41 prosent av en gruppe SAD-pasienter hadde nære slektninger med alkoholisme, mens bare 18 prosent av en kontrollgruppe uten SAD-symptomer hadde slike slektninger.
Mørkehormonet, som dirigerer mye av hormonorkesteret vårt, siver inn i blodet fra klokken 21, og er der til morgenen gryr.
Mangt i livet til planter, dyr og mennesker styres av lyset. Vår koordinasjonsevne er best mellom klokken 14 og 15, hjertet banker sterkest klokken 17, og da er også muskelstyrken størst. Blodtrykket er høyest klokken 18, og vi er varmest klokken 19. Mørkehormonet, som dirigerer mye av hormonorkesteret vårt, siver inn i blodet fra klokken 21, og er der til morgenen gryr.
Fordøyelsesapparatet tar en hvil klokken 23, og vi sover dypest klokken 02. Kaldest er vi klokken 04.30, og blodtrykket øker raskest klokken 07. Mest årvåkne er vi klokken 10 om formiddagen. Det systoliske blodtrykket er lavere om natten enn om dagen. Hvis forskjellen er liten hos pasienter med høyt blodtrykk, kan det være et varsel om høy dødsrisiko.
Påvirkes av årstidsvariasjoner. Et seriøst studium av miljøets virkning på helsen burde begynne med et studium av lysets virkning, slik Hippokrates foreslo. Det er ikke rart at lyset spiller en så sentral rolle i de fleste religiøse- og mytologiske forestillinger. Erfaring gjennom tusener av år har nedfelt i oss følelser overfor lys: respekt, hengivenhet og avhengighet. Midtvinters ønsker vel mange av oss nordboere at vi var i et varmere og lysere land. Men, så snart vårsolen skinner i bakkene igjen, får vi «hug til vår heimlege strand».
Årstidsvariasjoner er beskrevet for følgende fenomener: selvmord, depresjoner, hjerneblødning, fødselstall, fødselsvekt og fødsler av barn som blir schizofrene, autistiske eller får spiseforstyrrelser. Siden hormonene våre, særlig kjønnshormonene, er både tyranner og tjenere, gledesdrepere og gledesspredere, og siden mange av dem indirekte styres av lyset via de suprachiasmatiske kjernene, er det ikke underlig at lysvariasjonene gjennom døgn og år spiller kommandoroller i vårt liv.
Til og med når det gjelder kreftutvikling, kan det tenkes at lysforholdene spiller inn. Fordi lys virker på hormonproduksjonen, og hormonene virker inn på kreftutvikling, synes sammenhengen å være sannsynlig.
Om artikkelforfatteren: Johan Moan er fysiker og professor emeritus ved Universitetet i Oslo, ved avdeling for strålings-biologi ved Radiumhospitalet. Han har mottatt en rekke priser for sin forskning på blant annet lysets virkning, døgnrytmer, sol og hudkreft, og anses som en av verdens ledende eksperter innen forskning på D-vitamin.