Melatonina i zegar biologiczny: jak organizm odróżnia dzień od nocy

Melatonina to hormon, którego wahania dobowe można zaobserwować, gdy organizm znajduje się w biologicznej fazie nocy. Najczęściej kojarzona jest ze snem, ale melatonina pełni szerszą funkcję niż tylko wywoływanie senności: przekazuje tkankom informacje o porze dnia i uczestniczy w synchronizacji rytmów wewnętrznych ze zmianami światła i ciemności. Głównym źródłem krążącej melatoniny u ludzi jest szyszynka.

Kiedy wieczorem poziom światła spada, poziom melatoniny zazwyczaj zaczyna rosnąć; w ciągu dnia pozostaje on niski. Hormon ten nie jest jednak niezależnym „przełącznikiem” czuwania. Aby zrozumieć jego rolę, konieczne jest zrozumienie, kto ustala rytm dobowy, w jaki sposób oczy przekazują informacje o świetle do mózgu i dlaczego pora nocy biologicznej nie zawsze pokrywa się z wskazaniami zegara.

Czym jest melatonina i gdzie jest produkowana?

Melatonina jest chemicznie indoloaminą, która jest syntetyzowana z aminokwasu tryptofanu w etapach pośrednich, w tym w procesie tworzenia serotoniny. Głównym źródłem charakterystycznego nocnego wzrostu stężenia melatoniny we krwi są komórki szyszynki. Sam proces wytwarzania hormonów nie jest determinowany wyłącznie przez ciemność panującą na zewnątrz: jest on kontrolowany przez układ nerwowy, który uwzględnia informacje o oświetleniu i wewnętrznym rytmie organizmu.

W normalnych warunkach stężenie hormonu ma wyraźny profil dobowy: niskie wartości dzienne, wzrasta wieczorem, wyższe w nocy i spada bliżej poranka. Konkretny czas rozpoczęcia i szczytu zależy od indywidualnego trybu życia, jego nawyków i warunków oświetleniowych. Dlatego popularne stwierdzenie, że „melatonina jest produkowana dokładnie o godzinie dziesiątej wieczorem”, nie jest regułą fizjologiczną. Prace przeglądowe autorstwa Geoffriau i in. (1998) oraz Browna (1994) opisują melatoninę jako hormonalny sygnał wyjściowy układu zegara biologicznego.

Kto kontroluje zegar biologiczny?

Jądro nadskrzyżowaniowe, niewielka grupa komórek nerwowych, często nazywana centralnym zegarem biologicznym, znajduje się w podwzgórzu. Jego aktywność wyznacza mniej więcej dobowy rytm zmian w wielu procesach fizjologicznych. Rytmy te nazywane są rytmami dobowymi: mogą one utrzymywać się pomimo braku typowych bodźców zewnętrznych, ale wymagają regularnej synchronizacji, aby zgrać się z 24-godzinnym rytmem dnia.

Najsilniejszym sygnałem zewnętrznym jest światło. Niektóre komórki światłoczułe siatkówki przekazują jądru nadskrzyżowaniowemu nie informacje o tym, co widzimy, ale o ogólnym poziomie światła. Poprzez złożony obwód neuronalny, zegar centralny reguluje aktywność szyszynki. W ten sposób powstaje połączenie między zewnętrznym środowiskiem świetlnym a nocnym wydzielaniem melatoniny.

Ważne jest, aby nie mylić przyczyny z wskaźnikiem: rytm melatoniny odzwierciedla pracę zegara centralnego, ale nie jest jedynym mechanizmem uruchamiającym wszystkie procesy dobowe. Zegary wewnętrzne występują również w wielu tkankach obwodowych; układ centralny pomaga utrzymać ich koherencję.

Jak światło i ciemność zmieniają poziom melatoniny

Światło wpływa na melatoninę na dwa powiązane ze sobą sposoby. Po pierwsze, ekspozycja na światło w nocy biologicznej może bezpośrednio hamować wydzielanie tego hormonu. Po drugie, w zależności od momentu ekspozycji, światło może przesunąć fazę zegara wewnętrznego – czyli zmienić godzinę rozpoczęcia normalnych procesów nocnych następnego dnia. To nie to samo: krótkotrwały spadek stężenia hormonu niekoniecznie oznacza identyczną zmianę w całym rytmie dobowym.

Przegląd systematyczny przeprowadzony przez Tähkämö, Partonen i Pesonen (2019) pokazuje, że wynik zależy nie tylko od jasności: ważny jest również skład widmowy, czas trwania i czas ekspozycji, a także wcześniejsza historia oświetlenia. Oświetlenie wieczorne lub nocne może wpływać zarówno na bieżące wydzielanie melatoniny, jak i na rytm dobowy. Jednocześnie reakcje poszczególnych osób różnią się – nie ma uniwersalnego progu „bezpiecznego światła” dla każdej sytuacji.

Dlaczego noc biologiczna nie zaczyna się u wszystkich w tym samym czasie

W badaniach chronobiologicznych, DLMO, czyli moment rozpoczęcia wzrostu poziomu melatoniny w słabym świetle, jest wykorzystywany do oszacowania fazy okołodobowej. Według literatury klinicznej, moment ten często poprzedza zwykłą porę snu o kilka godzin, ale nie jest taki sam u wszystkich osób. Pomiar poziomu melatoniny w jasnym świetle może odzwierciedlać nie tylko czas wewnętrzny, ale także natychmiastową reakcję na światło.

Dlatego dwie osoby dorosłe, które kładą się spać o 23:00, mogą mieć różne stany dobowe przygotowania do nocy. I odwrotnie: te same parametry snu nie świadczą o identyczności ich rytmu hormonalnego. W pracy Dijka i in. (1997) zbadano związek między melatoniną a strukturą i porą snu poprzez pomiary parametrów dobowych i elektrofizjologicznych.

Melatonina i sen: istnieje związek, ale są to różne mechanizmy

Sen jest regulowany przez co najmniej dwa wzajemnie na siebie oddziałujące procesy. Pierwszym z nich jest homeostatyczna presja snu: potrzeba snu zazwyczaj wzrasta wraz z długim okresem czuwania. Drugim jest regulacja rytmu dobowego, która określa, kiedy organizm ma tendencję do większej czujności, a kiedy jest bardziej skłonny do przejścia w stan nocnego odpoczynku. Melatonina jest ściśle związana z tym drugim procesem, chociaż również może wpływać na skłonność do zasypiania.

To wyjaśnia, dlaczego podwyższony poziom melatoniny nie gwarantuje snu, a niski poziom hormonu nie uniemożliwia zaśnięcia po długim okresie czuwania. Według przeglądu Cajochena, Kräuchiego i Wirz-Justice (2003), melatonina działa jak wewnętrzny sygnał czasu i może przesunąć fazę dobową. Jednak charakter tej zmiany zależy od biologicznego momentu ekspozycji.

Istnieje również istotne rozróżnienie między własną melatoniną organizmu a melatoniną pochodzącą z substancji egzogennej. Podawanie melatoniny w eksperymentach może generować sygnał czasowy różniący się od naturalnego profilu dobowego. Dlatego też ustaleń dotyczących regulacji cyklu dobowego nie można automatycznie przełożyć na ogólne zalecenia dotyczące suplementacji, dawkowania czy czasu jej przyjmowania. Kwestie te wymagają osobnego rozważenia.

Czego można się dowiedzieć z analizy melatoniny?

W badaniach naukowych poziom melatoniny mierzy się we krwi lub ślinie, a czasami wykorzystuje się jej metabolity w moczu. Aby określić fazę dobową, ważne jest, aby próbki zbierać w kontrolowanych warunkach oświetleniowych i przez określony czas. Pojedynczy, losowy pomiar bez określenia pory dnia i oświetlenia może być trudny do zinterpretowania.

Systematyczny przegląd badań nad ekspozycją na światło i badaniami chronobiologicznymi wykazał, że oświetlenie przed i w trakcie pobierania próbek może wpływać na wynik. Na przykład, chwilowe zahamowanie wydzielania przez światło może zostać błędnie uznane za brak nocnego wzrostu. Dlatego DLMO zazwyczaj ocenia się poprzez serię pomiarów w słabym świetle, a nie poprzez pojedynczą analizę w dowolnym momencie.

Dla większości osób bez konkretnych potrzeb badawczych lub klinicznych, test melatoniny nie jest sposobem na samodzielny wybór suplementu. Wynik wymaga kontekstu: wzorca snu, harmonogramu oświetlenia, wieku, ewentualnych leków i wybranej metody laboratoryjnej.

Co zapewnia stałość cyklu dnia i nocy?

Najbardziej oczywistym czynnikiem fizjologicznym jest regularne naświetlanie. Jaśniejsze oświetlenie dzienne i zmniejszona ekspozycja na światło późnym wieczorem pomagają organizmowi odróżnić dzień od nocy. Jednak siła i kierunek reakcji fazowej zależą od konkretnego momentu naświetlania: nie każde światło o każdej porze ma taki sam efekt.

Inne stabilizujące sygnały obejmują względnie stałe pory pobudki, regularną aktywność i pory posiłków. Nie zastępują one centralnego mechanizmu oświetlenia, ale sprawiają, że codzienny harmonogram dnia jest bardziej spójny. Dla osób o zmiennym grafiku lub często podróżujących samolotem, koordynacja tych sygnałów może być znacznie trudniejsza niż dla osób pracujących w ciągu dnia.

Ważne jest rozróżnienie między naturalną synchronizacją a stosowaniem suplementów. Melatonina w suplementach nie zastępuje światła dziennego, wzorców snu ani oceny przyczyn utrzymujących się trudności ze snem. Jeśli zaburzenia snu nawracają, ważne jest, aby nie przypisywać ich automatycznie „niedoborowi melatoniny”: podobne dolegliwości mogą mieć różne przyczyny.

Środki ostrożności dotyczące suplementów melatoniny

Melatonina wykazuje aktywność biologiczną, dlatego nie należy jej traktować jako neutralnego składnika żywności. Przed spożyciem zaleca się konsultację z lekarzem. Suplementy diety z melatoniną są zabronione dla dzieci poniżej 18. roku życia; nie są zalecane kobietom w ciąży i karmiącym piersią, osobom z chorobami zapalnymi lub autoimmunologicznymi, epilepsją lub astmą, a także osobom wykonującym czynności wymagające wzmożonej uwagi. W przypadku przyjmowania leków lub chorób przewlekłych, kwestię łączenia należy omówić z lekarzem.

Niniejszy artykuł nie zawiera schematu dawkowania ani zaleceń dotyczących dawkowania: jego celem jest wyjaśnienie roli endogennej melatoniny w zegarze biologicznym. Informacje na temat dawkowania i konkretnych scenariuszy zastosowania omówiono w oddzielnych, niezależnie recenzowanych tematach.

Często zadawane pytania

Czy melatonina jest hormonem czy witaminą?
Melatonina to hormon odpowiedzialny za sygnalizację nocy biologicznej. Nie jest witaminą.

Czy melatonina jest produkowana tylko podczas snu?
Nie. Jego rytm dobowy jest przede wszystkim związany z zegarem wewnętrznym i warunkami oświetlenia, a nie bezpośrednio z faktem zasypiania.

Dlaczego poziom melatoniny wzrasta wieczorem?
System zegara biologicznego reguluje aktywność szyszynki poprzez sygnały nerwowe. W odpowiedniej fazie rytmu wewnętrznego, przyciemnione oświetlenie umożliwia nocny wzrost poziomu hormonu.

Czy zegar biologiczny każdego z nas działa tak samo?
Nie. Chronotyp i faza dobowa to różne rzeczy, więc ta sama godzina na zegarze nie musi oznaczać tego samego wewnętrznego czasu biologicznego.

Czy wieczorne światło ma wpływ na melatoninę?
Tak. W zależności od charakterystyki i czasu oświetlenia, może ono tymczasowo zahamować wydzielanie hormonów i wpłynąć na rytm dobowy.

Co oznacza DLMO?
To początek wzrostu poziomu melatoniny w słabym świetle. W badaniach naukowych jest to wykorzystywane jako wskaźnik wewnętrznego rytmu dobowego.

Czy człowiek na pewno zaśnie, jeśli poziom melatoniny będzie podwyższony?
Nie. Sen zależy również od skumulowanej potrzeby odpoczynku, warunków zewnętrznych i wielu innych czynników.

Czy muszę wykonać test na poziom melatoniny przed wyborem suplementu?
Pojedyncze badanie nie daje pełnego obrazu rytmu dobowego. O potrzebie wykonania badania i interpretacji wyników decyduje specjalista.

Źródła

• Brown G. M. (1994). Light, melatonin and the sleep-wake cycle. Journal of Psychiatry & Neuroscience, 19(5), 345–353. PubMed.
• Geoffriau M., Brun J., Chazot G., Claustrat B. (1998). The physiology and pharmacology of melatonin in humans. Hormone Research, 49(3–4), 136–141. PubMed.
• Shanahan T. L., Zeitzer J. M., Czeisler C. A. (1997). Resetting the melatonin rhythm with light in humans. Journal of Biological Rhythms, 12(6), 556–567. PubMed.
• Cajochen C., Kräuchi K., Wirz-Justice A. (2003). Role of melatonin in the regulation of human circadian rhythms and sleep. Journal of Neuroendocrinology. PubMed.
• Dijk D. J., Cajochen C. (1997). Melatonin and the circadian regulation of sleep initiation, consolidation, structure, and the sleep EEG. Journal of Biological Rhythms, 12(6), 627–635. PubMed.
• Tähkämö L., Partonen T., Pesonen A.-K. (2019). Systematic review of light exposure impact on human circadian rhythm. Chronobiology International, 36(2), 151–170. PubMed.
• Prayag A. S., Münch M., Aeschbach D., Chellappa S. L., Gronfier C. (2019). Light Modulation of Human Clocks, Wake, and Sleep. Clocks & Sleep. PubMed.

Suplement diety. Nie jest lekiem. Przed użyciem należy skonsultować się z lekarzem.