Gufi o allodole? Cosa sono e come funzionano gli orologi circadiani, Rodolfo Costa, Sara MontagneseRodolfo Costa e Sara Montagnese, siete autori del libro Gufi o allodole? Cosa sono e come funzionano gli orologi circadiani edito dal Mulino: innanzitutto, cosa sono gli orologi circadiani?
Gli orologi circadiani sono meccanismi endogeni che consentono agli organismi di adattarsi, anticipandole, alle variazioni ambientali cicliche originate dalla rotazione terrestre attorno al proprio asse (l’alternanza del giorno e della notte) e attorno al Sole (il succedersi delle stagioni e quindi la durata delle ore di luce, e l’entità delle variazioni di temperatura) e che si traducono in comportamenti ritmici, anche in assenza di segnali ritmici ambientali. Il periodo dei ritmi generati dall’orologio circadiano, cioè il tempo dopo il quale un certo comportamento o una funzione fisiologica si ripropongono in assenza di segnali ambientali (ad esempio in condizioni di buio e temperatura costanti, condizioni che vengono definite di “corsa libera”), è di circa un giorno, in latino circa diem, mentre è di 24 ore esatte in condizioni naturali, quando l’alternanza di luce e buio, di albe e tramonti, e di altri segnali ambientali sincronizza l’orologio circadiano con il tempo della rotazione terrestre. Dunque l’orologio circadiano è sincronizzato dall’orologio solare. Tutti gli esseri viventi, batteri, funghi, piante e animali, possiedono un orologio circadiano. Benché esistano differenze nelle componenti molecolari che costituiscono gli orologi di questi organismi, il meccanismo principale su cui si basano è sostanzialmente lo stesso.

Come funzionano?
Gli orologi circadiani sono costituiti da un certo numero di geni specifici (“geni orologio”), localizzati nei genomi degli organismi, che vengono trascritti in RNA messaggeri ad opera di fattori di trascrizione e si esprimono ritmicamente grazie ad un meccanismo di regolazione detto a retroazione negativa. Di conseguenza l’abbondanza dei loro prodotti, le “proteine orologio” (che derivano dalla traduzione degli RNA messaggeri e che possiamo immaginare come gli ingranaggi dell’orologio), oscilla con un periodo di circa 24 ore in condizioni di corsa libera, e di 24 ore esatte in condizioni naturali. Quando le proteine orologio si accumulano e raggiungono una concentrazione critica, inibiscono la trascrizione dei geni che le codificano, e per questo il meccanismo viene definito a retroazione negativa. Questa inibizione diminuisce nel tempo poiché le proteine orologio subiscono una progressiva degradazione, e può quindi iniziare un nuovo ciclo di trascrizione e traduzione. Questa oscillazione molecolare, che coinvolge decine di proteine che la regolano finemente, costituisce l’orologio circadiano. Negli animali l’orologio circadiano centrale è localizzato nel cervello, nel caso dell’uomo in circa 20.000 neuroni orologio situati nell’ipotalamo, ma ci sono orologi circadiani, detti periferici, anche in tutti gli altri organi e tessuti. L’orologio centrale esercita un’azione gerarchica di sincronizzazione degli orologi periferici. Nel loro insieme tutti questi orologi governano l’espressione di migliaia di geni, attivandoli o disattivandoli in modo ritmico e specifico nei vari organi e tessuti, secondo la loro funzione.

In che modo l’orologio circadiano si sincronizza con l’ambiente naturale che ci circonda?
L’orologio circadiano centrale viene continuamente sincronizzato da segnali provenienti dall’ambiente (definiti dai cronobiologi con i termine tedesco “Zeitgeber”, o segnatempo), il più importante ed efficace dei quali è il ciclo naturale di luce e buio. L’informazione luminosa viene inviata all’orologio circadiano per mezzo del tratto retino-ipotalamico, una via nervosa che collega direttamente l’orologio, situato nell’ipotalamo, con la parte profonda della retina. Qui la melanopsina, una molecola fotorecettrice contenuta nelle cellule gangliari fotosensibili, viene attivata dalla luce, in particolare dalle componenti dello spettro a lunghezza d’onda corta (luce blu), fenomeno che avvia la trasmissione del segnale luminoso ai neuroni orologio, e che innesca il processo di sincronizzazione. In questo modo l’organismo tende ad una condizione di armonia con l’alternarsi dei giorni e delle notti, e colloca le proprie attività fisiologiche e metaboliche nella fase temporale dettata dal proprio orologio circadiano, condizione che promuove benessere ed efficienza.

In che modo i fusi orari influenzano il nostro orologio circadiano?
Poiché il nostro orologio circadiano è sincronizzato dall’alternanza dei giorni e delle notti, e in particolare dalla luce delle albe e dei tramonti, l’adozione dei fusi orari e dell’ora civile unica all’interno di ciascun fuso (cioè l’ora solare media del meridiano centrale di riferimento), genera in buona parte della popolazione che vive ad Est o a Ovest del meridiano di riferimento un mancato allineamento (o desincronizzazione) tra l’orario biologico dettato dall’orologio circadiano sincronizzato dal Sole (orologio solare) e l’orario imposto dall’ora civile. Le differenze tra ora civile e ora solare, a cui sono esposte porzioni consistenti della popolazione che vive all’interno di ciascun fuso, si riflettono sul tempo dedicato al sonno, specialmente durante i giorni lavorativi. Basti pensare a Praga e Santiago de Compostela, città che appartengono allo stesso fuso e sono regolate dallo stesso orario civile, ma le cui ore solari differiscono di circa 90 minuti. Gli abitanti di Santiago de Compostela vedono albe e tramonti, cioè i segnali che sincronizzano i loro orologi circadiani, circa un’ora e mezzo più tardi rispetto agli abitanti di Praga. Tendono quindi a dormire un’ora e mezza più tardi rispetto agli abitanti di Praga, nonostante l’ora civile in comune. Le loro sveglie durante i giorni lavorativi suonano però molto in anticipo rispetto all’ora suggerita dal loro orologio circadiano, cosa che si traduce in una riduzione del numero di ore di sonno.

Quali strategie si possono adottare per ridurre al minimo gli effetti del jet-lag?
Con il termine jet-lag ci si riferisce ad un insieme di sintomi (insonnia, sonnolenza diurna e disturbi gastrointestinali) che insorgono dopo un viaggio aereo, cioè uno spostamento veloce attraverso più fusi orari. I disturbi sono tanto più accentuati quanto maggiore è il numero di fusi orari attraversati, e sono una conseguenza del disallineamento fra l’ora dettata dal nostro orologio circadiano, ancora sincronizzato sul ciclo luce-buio del luogo di partenza, e l’ora del luogo di arrivo. I sintomi da jet-lag si risolvono spontaneamente, in un numero di giorni più o meno pari al numero di fusi orari attraversati, durante i quali l’orologio circadiano si sincronizza gradualmente sul ciclo luce-buio del luogo di arrivo. Tutte le strategie volte a velocizzare questo processo, prima, durante o immediatamente dopo il viaggio, possono alleviare i sintomi da jet-lag. In particolare, l’assunzione di melatonina, preferibilmente combinata con l’esposizione o la protezione dalla luce (in momenti della giornata specifici ed opposti, a seconda che si viaggi verso Est o verso Ovest) è di provata utilità. Va comunque ricordato che gli sforzi di adattamento ai ritmi del luogo di arrivo vanno commisurati al periodo previsto di permanenza e che la velocità di superamento dei sintomi da jet-lag dipende anche da caratteristiche individuali del viaggiatore quali il cronotipo (ovvero la naturale propensione ad essere più o meno mattutini o serotini) e la durata abituale del sonno notturno.

Cosa sono i cronotipi e come possono influenzare la nostra vita sociale?
Il cronotipo è la naturale propensione di ciascun individuo, per buona parte determinata geneticamente, a collocare il proprio sonno in un dato intervallo temporale all’interno delle 24 ore che definiscono un ciclo naturale di luce-buio. In base a esso, le persone si possono definire come più o meno serotine o mattutine. Gufi e allodole, a cui si allude nel titolo del nostro libro, sono i termini entrati in uso per definire individui con spiccata preferenza per comportamenti serotini o mattutini. I gufi tendono a dormire molto tardi e, se possono, a prolungare il sonno fino a tardi il mattino seguente. Le allodole invece si svegliano presto al mattino e dormono presto alla sera. Questa naturale inclinazione non si può cambiare, e sforzi volti ad acquisire abitudini diverse da quelle a cui siamo portati spontaneamente, spesso imposti dalla società nella quale viviamo, tendono a fallire e a tradursi in conseguenze negative per la salute, prima fra tutte la deprivazione di sonno.

Quali effetti negativi sulla salute può generare il lavoro a turni?
La quasi totalità dei lavoratori a turni e tutti i lavoratori notturni sono affetti da disturbi del sonno. Da qualche anno, l’International Classification of Sleep Disorders include addirittura ufficialmente fra i disturbi del sonno il cosiddetto “disturbo del sonno da lavoro a turni”, caratterizzato da insonnia o sonnolenza eccessive e transitorie, in relazione agli orari di lavoro. Il lavoro a turni è stato inoltre associato ad un aumentato rischio di sviluppare disturbi dell’apparato digerente (come gastrite, gastro-duodenite, ulcera e colite), alterazioni metaboliche (sovrappeso e obesità, ipertrigliceridemia, ipercolesterolemia), malattie cardiovascolari, alcuni tipi di tumore (ad esempio quello della mammella), disturbi della sfera psico-affettiva (ansia, depressione, dipendenze) e ridotta fertilità. Infine va ricordato come la riduzione dei livelli di attenzione e di vigilanza nelle ore notturne, associata al deficit di sonno e all’affaticamento, possa compromettere l’efficienza lavorativa e aumentare la probabilità di commettere errori e di incorrere in infortuni.

L’ora legale va abolita?
Sì. Oggi sappiamo con certezza che il nostro orologio circadiano non può adattarsi ad un regime artificiale come quello dell’ora legale, ma continua a sincronizzarsi sull’ora solare a dispetto dell’ora legale che ci impone di vivere, per 7 mesi all’anno, come se ci trovassimo nel fuso orario immediatamente ad Est del nostro, senza tuttavia spostarci fisicamente, e senza quindi poter superare il jet-lag che ne deriva. Nelle settimane immediatamente successive all’entrata in vigore dell’ora legale si registrano aumenti nel numero degli incidenti stradali e degli eventi cardiovascolari (infarti e ictus). Vi sono poi effetti negativi sulla salute, quali la deprivazione di sonno ed un’aumentata probabilità di rivolgersi ripetutamente al Pronto Soccorso, che perdurano per tutto il tempo, cioè 7 mesi, in cui l’ora legale è in vigore. Quindi i costi socio-sanitari associati all’ora legale, generalmente trascurati, meriterebbero più attenta considerazione. Mantenerla tutto l’anno, cosa che alcune nazioni europee, compresa l’Italia, stanno valutando, si tradurrebbe in 12, anziché 7 mesi di desincronizzazione. Inoltre, un’ora aggiuntiva di buio al mattino nei mesi invernali vedrebbe avviate le attività lavorative e scolastiche in un momento in cui nulla nell’ambiente suggerisce all’organismo che la giornata è effettivamente cominciata. Quindi l’idea, purtroppo diffusa, che l’ora legale permanente possa portare con sé benefici economici, più ore di luce spendibili, vantaggi per il turismo e un adattamento facile e scontato, non ha alcun riscontro scientifico. Al contrario, tornare ad un regime di ora civile permanente, che è quello che più si avvicina all’ora solare su cui si sincronizza il nostro orologio circadiano, è l’unica soluzione biologicamente e clinicamente sensata.

Quali malattie possono determinare la desincronizzazione e i disordini della ritmicità circadiana?
Rispettare i ritmi dettati dal nostro orologio circadiano è fondamentale per dormire bene e per avere buone prestazioni fisiche e mentali durante le ore di veglia. Inoltre, è stato dimostrato come vivere “contro” i ritmi dettati dal nostro orologio circadiano possa associarsi ad un aumentato rischio di sviluppare problemi di salute come malattie cardiovascolari, sindrome metabolica, dipendenze e alcuni tipi di tumori. Purtroppo nel mondo industrializzato, i vincoli e gli impegni orari che ci vengono imposti dall’organizzazione della società, associati ad una scarsa igiene-luce buio, espongono porzioni sempre più ampie della popolazione a questo tipo di rischi. Possono essere di aiuto alcuni accorgimenti semplici, come cercare di andare a letto e di alzarsi sempre alla stessa ora, aumentare l’esposizione alla luce naturale durante la giornata, soprattutto al mattino, evitare l’esposizione alla luce intensa (anche quella che proviene da smartphone, tablet e computer) durante le ore serali e notturne, assumere i pasti sempre alla stessa ora, e non cenare troppo tardi.

Rodolfo Costa, genetista, insegna Neurobiologia nell’Università di Padova. Si occupa dell’analisi genetica e molecolare degli orologi circadiani in diversi organismi modello. È editore in capo della sezione di Cronobiologia di Frontiers in Physiology.
Sara Montagnese insegna Medicina Interna nell’Università di Padova. Si occupa dei disturbi del ritmo sonno-veglia associati a malattie croniche, in particolare quelle del fegato. È editore associato della sezione di Cronobiologia di
Frontiers in Physiology.

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