จังหวะชีวภาพ ( circadian rhythm )หรือวัฏจักรชีวภาพคือการแกว่งตัวตามธรรมชาติที่เกิดขึ้นซ้ำๆ ประมาณทุก 24 ชั่วโมง จังหวะชีวภาพสามารถหมายถึงกระบวนการใดๆ ที่เกิดขึ้นภายในสิ่งมีชีวิต (เช่นภายใน) และตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม(ถูกควบคุมโดยสิ่งแวดล้อม) จังหวะชีวภาพถูกควบคุมโดยนาฬิกาชีวภาพซึ่งมีหน้าที่หลักในการประสานกระบวนการทางชีวภาพอย่างเป็นจังหวะเพื่อให้เกิดขึ้นในเวลาที่เหมาะสมที่สุดเพื่อเพิ่มความเหมาะสมของแต่ละบุคคลให้สูงสุด จังหวะชีวภาพได้รับการสังเกตอย่างกว้างขวางในสัตว์พืชเชื้อราและไซยาโนแบคทีเรียและมีหลักฐานว่าพวกมันวิวัฒนาการอย่างอิสระในแต่ละอาณาจักรของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้^{[ 1 ] [ 2 ]}

คำว่าcircadianมาจากภาษาละตินcircaซึ่งหมายถึง "รอบๆ" และdiesซึ่งหมายถึง "วัน" กระบวนการที่มีรอบ 24 ชั่วโมงโดยทั่วไปเรียกว่าจังหวะรายวันจังหวะรายวันไม่ควรเรียกว่าจังหวะ circadian เว้นแต่จะได้รับการยืนยันว่าเป็นจังหวะภายใน ไม่ใช่จังหวะจากสิ่งแวดล้อม^{[ 3 ]}

แม้ว่าจังหวะชีวภาพจะเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นภายในร่างกาย แต่ก็ได้รับการปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมในท้องถิ่นโดยสัญญาณภายนอกที่เรียกว่าตัวกำหนดเวลา (จาก ภาษา เยอรมันZeitgeber ( ภาษาเยอรมัน: [ˈtsaɪtˌɡeːbɐ] ; แปลตรงตัวว่า' ผู้กำหนดเวลา' )) ซึ่งรวมถึงแสง อุณหภูมิ และ วัฏจักร ของปฏิกิริยาออกซิเดชัน -รีดักชัน ในทางคลินิก จังหวะชีวภาพที่ผิดปกติในมนุษย์เรียกว่าความผิดปกติของจังหวะชีวภาพในการนอนหลับ^{[ 4 ]}

บันทึกที่เก่าแก่ที่สุดเกี่ยวกับกระบวนการรอบวันได้รับการยกให้เป็นผลงานของธีโอฟราสตัสซึ่งมีอายุย้อนไปถึงศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสต์ศักราช โดยน่าจะได้รับมาจากรายงานของอันโดรสเธเนสกัปตันเรือที่รับใช้พระเจ้าอเล็กซานเดอร์มหาราชในหนังสือของเขา 'Περὶ φυτῶν ἱστορία' หรือ 'การสอบสวนเกี่ยวกับพืช' ธีโอฟราสตัสได้บรรยายถึง "ต้นไม้ที่มีใบมากมายเหมือนดอกกุหลาบและมันจะหุบในเวลากลางคืน แต่จะบานเมื่อพระอาทิตย์ขึ้น และเมื่อถึงเที่ยงวันก็จะบานเต็มที่ และในตอนเย็นมันก็จะหุบลงทีละน้อยและยังคงปิดอยู่ตลอดคืน และชาวพื้นเมืองกล่าวว่ามันกำลังนอนหลับ" ^{[ 5 ]}ต่อมาต้นไม้ที่กล่าวถึงนี้ได้รับการระบุว่าเป็นต้นมะขามโดยนักพฤกษศาสตร์ H. Bretzl ในหนังสือของเขาเกี่ยวกับการค้นพบทางพฤกษศาสตร์ของการรณรงค์ในอเล็กซานเดรีย^{[ 6 ]}

การสังเกตกระบวนการรอบวันหรือรอบกลางวันในมนุษย์ถูกกล่าวถึงในตำราแพทย์จีนที่มีอายุราวศตวรรษที่ 13 รวมถึงคู่มือเที่ยงวันและเที่ยงคืนและ บทกลอนช่วยจำเพื่อช่วยในการ ^{เลือก}จุดฝังเข็มตามรอบวัน วันของเดือน และฤดูกาลของปี^{[ 7} ]

ในปี ค.ศ. 1729 นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสJean-Jacques d'Ortous de Mairanได้ทำการทดลองครั้งแรกเพื่อแยกแยะนาฬิกาชีวภาพภายในออกจากปฏิกิริยาตอบสนองต่อสิ่งเร้าในแต่ละวัน เขาตั้งข้อสังเกตว่ารูปแบบ 24 ชั่วโมงในการเคลื่อนไหวของใบของต้นMimosa pudicaยังคงอยู่แม้ว่าต้นไม้จะถูกเก็บไว้ในที่มืดตลอดเวลา^{[ 8 ] [ 9 ]}

ในปี พ.ศ. 2449 แพทริคและกิลเบิร์ตสังเกตว่าในช่วงระยะเวลาอดนอน ที่ยาวนาน ความง่วงนอนจะเพิ่มขึ้นและลดลงตามระยะเวลาประมาณ 24 ชั่วโมง^{[ 10 ]}ในปี พ.ศ. 2461 เจ.เอส. ซีมานสกีแสดงให้เห็นว่าสัตว์สามารถรักษารูปแบบกิจกรรมตลอด 24 ชั่วโมงได้แม้ไม่มีสัญญาณภายนอก เช่น แสงและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ^{[ 11 ]}

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 จังหวะชีวภาพถูกสังเกตเห็นในเวลาการกินอาหารที่เป็นจังหวะของผึ้งAuguste Forel , Ingeborg Belingและ Oskar Wahl ได้ทำการทดลองมากมายเพื่อตรวจสอบว่าจังหวะนี้เกิดจากนาฬิกาภายในหรือไม่^{[ 12 ]}การมีอยู่ของจังหวะชีวภาพถูกค้นพบโดยอิสระในแมลงวันผลไม้ในปี 1935 โดยนักสัตววิทยาชาวเยอรมันสองคนHans KalmusและErwin Bünning ^{[ 13 ] [ 14 ]}

ในปี พ.ศ. 2497 การทดลองที่สำคัญที่รายงานโดยColin Pittendrighแสดงให้เห็นว่าการฟักตัว (กระบวนการที่ดักแด้กลายเป็นตัวเต็มวัย) ในDrosophila pseudoobscuraเป็นพฤติกรรมตามรอบวัน เขาแสดงให้เห็นว่าในขณะที่อุณหภูมิมีบทบาทสำคัญในจังหวะการฟักตัว ระยะเวลาของการฟักตัวจะล่าช้าออกไปแต่ไม่ได้หยุดลงเมื่ออุณหภูมิลดลง^{[ 15 ] [ 14 ]}

คำว่าcircadianถูกบัญญัติโดยFranz Halbergในปี พ.ศ. 2502 ^{[ 16 ]}ตามคำจำกัดความดั้งเดิมของ Halberg:

คำว่า "circadian" มาจากคำว่าcirca (ประมาณ) และdies (วัน) ซึ่งอาจหมายถึงช่วงเวลาทางสรีรวิทยาบางช่วงที่ใกล้เคียงกับ 24 ชั่วโมง หากไม่ตรงกับความยาวนั้นพอดี ในที่นี้ "circadian" อาจใช้กับจังหวะ "24 ชั่วโมง" ทั้งหมด ไม่ว่าช่วงเวลาของแต่ละช่วงหรือโดยเฉลี่ยจะแตกต่างจาก 24 ชั่วโมงหรือไม่ ยาวกว่าหรือสั้นกว่าเพียงไม่กี่นาทีหรือชั่วโมงก็ตาม^{[ 17 ] [ 18 ]}

ในปี 1977 คณะกรรมการระหว่างประเทศว่าด้วยการตั้งชื่อของสมาคมชีววิทยาเวลาสากลได้นำคำจำกัดความนี้มาใช้อย่างเป็นทางการ:

เซอร์เคเดียน: เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพหรือจังหวะที่มีความถี่ 1 รอบใน 24 ± 4 ชั่วโมง; circa (ประมาณ, โดยประมาณ) และdies (วันหรือ 24 ชั่วโมง) หมายเหตุ: คำนี้อธิบายถึงจังหวะที่มีความยาวรอบประมาณ 24 ชั่วโมง ไม่ว่าจะเป็นจังหวะที่ซิงโครไนซ์ความถี่กับ (ยอมรับได้) หรือไม่ซิงโครไนซ์หรือดำเนินไปอย่างอิสระจากมาตราเวลาสิ่งแวดล้อมในท้องถิ่น โดยมีช่วงเวลาที่แตกต่างจาก 24 ชั่วโมงเล็กน้อยแต่สม่ำเสมอ^{[ 19 ]}

รอน โคโนปก้าและเซย์มัวร์ เบนเซอร์ค้นพบการกลายพันธุ์ของนาฬิกาชีวภาพครั้งแรกในแมลงหวี่ในปี 1971 โดยตั้งชื่อยีนว่า " period " ( per ) ซึ่งเป็นตัวกำหนดทางพันธุกรรมตัวแรกที่ค้นพบของจังหวะพฤติกรรม^{[ 20 ]}ยีนperถูกแยกออกมาในปี 1984 โดยทีมวิจัยสองทีม โคโนปก้า เจฟฟรีย์ ฮอลล์ ไมเคิล รอชแบช และทีมของพวกเขาแสดงให้เห็นว่า ตำแหน่ง ของยีน perเป็นศูนย์กลางของจังหวะชีวภาพ และการสูญเสียยีนperจะหยุดกิจกรรมชีวภาพ^{[ 21 ] [ 22 ]} ในเวลาเดียวกัน ทีมของไมเคิล ดับเบิลยู ยัง รายงานผลกระทบที่คล้ายกันของยีนperและว่ายีนนี้ครอบคลุมช่วง 7.1 กิโลเบส (kb) บนโครโมโซม Xและเข้ารหัส RNA โพลี(A)+ ขนาด 4.5 kb ^{[ 23 ] [ 24 ]}พวกเขาได้ค้นพบยีนและเซลล์ประสาทที่สำคัญใน ระบบจังหวะชีวภาพ ของแมลงหวี่ซึ่งทำให้ Hall, Rosbash และ Young ได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ประจำปี 2017 ^{[ 25 ]}

โจเซฟ ทาคาฮาชิค้นพบการกลายพันธุ์ของนาฬิกาชีวภาพในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเป็นครั้งแรก ( clockΔ19 ) โดยใช้หนูในปี 1994 ^{[ 26 ] [ 27 ]}อย่างไรก็ตาม การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการลบยีนclockไม่ได้นำไปสู่ลักษณะทางพฤติกรรม (สัตว์ยังคงมีจังหวะชีวภาพปกติ) ซึ่งทำให้เกิดคำถามถึงความสำคัญของยีนนี้ในการสร้างจังหวะ^{[ 28 ] [ 29 ]}

การกลายพันธุ์ของนาฬิกาชีวภาพของมนุษย์ครั้งแรกถูกระบุในครอบครัวใหญ่ในรัฐยูทาห์โดยคริส โจนส์ และลักษณะทางพันธุกรรมโดยอิง-ฮุย ฟูและหลุยส์ ปตาเช็ก บุคคลที่ได้รับผลกระทบจะเป็น ' คนตื่นเช้า ' อย่างมาก โดยนอนหลับเร็วกว่าปกติ 4 ชั่วโมงและมีจังหวะอื่นๆ รูปแบบของภาวะนอนหลับเร็วกว่าปกติในครอบครัว นี้ เกิดจาก การเปลี่ยนแปลง กรดอะมิโน เพียงตัวเดียว S662➔G ในโปรตีน PER2 ของมนุษย์^{[ 30 ] [ 31 ]}

จังหวะทางชีวภาพที่จะเรียกว่าจังหวะชีวภาพตามรอบวันจะต้องตรงตามเกณฑ์ทั่วไปสามประการนี้: ^{[ 32 ]}

1. จังหวะชีวภาพนี้มีช่วงเวลาอิสระที่เกิดขึ้นเองภายในร่างกาย ซึ่งมีระยะเวลาประมาณ 24 ชั่วโมงจังหวะนี้คงอยู่ภายใต้สภาวะคงที่ เช่น ความมืดคงที่ โดยมีช่วงเวลาประมาณ 24 ชั่วโมง ช่วงเวลาของจังหวะภายใต้สภาวะคงที่นี้เรียกว่าช่วงเวลาอิสระ และใช้สัญลักษณ์เป็นอักษรกรีก τ (เทา) เหตุผลของเกณฑ์นี้คือเพื่อแยกแยะจังหวะชีวภาพออกจากปฏิกิริยาตอบสนองต่อสัญญาณภายนอกประจำวัน จังหวะชีวภาพจะไม่ถือว่าเป็นจังหวะที่เกิดขึ้นเองภายในร่างกายเว้นแต่จะได้รับการทดสอบและคงอยู่ภายใต้สภาวะที่ไม่มีการป้อนข้อมูลเป็นระยะจากภายนอก โดยทั่วไปแล้ว ในสัตว์ที่หากินในเวลากลางวัน (ออกหากินในเวลากลางวัน) ค่า τ จะมากกว่า 24 ชั่วโมงเล็กน้อย ในขณะที่ในสัตว์ที่หากินในเวลากลางคืน (ออกหากินในเวลากลางคืน) โดยทั่วไปแล้วค่า τ จะสั้นกว่า 24 ชั่วโมง
2. จังหวะชีวภาพสามารถปรับให้ เข้ากับเวลาได้ จังหวะชีวภาพสามารถรีเซ็ตได้โดยการสัมผัสกับสิ่งเร้าภายนอก (เช่น แสงและความร้อน) ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่าการปรับจังหวะชีวภาพ สิ่งเร้าภายนอกที่ใช้ในการปรับจังหวะชีวภาพเรียกว่าตัวกำหนดเวลาหรือ "ผู้ให้เวลา" การเดินทางข้ามเขตเวลาแสดงให้เห็นถึงความสามารถของนาฬิกาชีวภาพของมนุษย์ในการปรับตัวให้เข้ากับเวลาท้องถิ่น โดยปกติแล้วคนเราจะรู้สึกเหนื่อยล้าจากการเดินทางข้ามเขตเวลา ก่อนที่การปรับจังหวะชีวภาพจะทำให้จังหวะชีวภาพของพวกเขาสอดคล้องกับเวลาท้องถิ่น
3. จังหวะชีวภาพแสดงให้เห็นถึงการชดเชยอุณหภูมิกล่าวคือ รักษาความเป็นคาบเวลาของนาฬิกาชีวภาพไว้ได้ในช่วงอุณหภูมิทางสรีรวิทยาที่หลากหลาย สิ่งมีชีวิตหลายชนิดอาศัยอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง และความแตกต่างของพลังงานความร้อนจะส่งผลต่อจลนศาสตร์ของกระบวนการระดับโมเลกุลทั้งหมดในเซลล์ของพวกมัน เพื่อให้สามารถติดตามเวลาได้ นาฬิกาชีวภาพของสิ่งมีชีวิตต้องรักษาความเป็นคาบเวลาประมาณ 24 ชั่วโมงไว้ได้ แม้ว่าจลนศาสตร์จะเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เรียกว่าการชดเชยอุณหภูมิค่า สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ Q10เป็นตัววัดผลการชดเชยนี้ หากค่าสัมประสิทธิ์ Q10 _ยังคงอยู่ที่ประมาณ 1 เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น จังหวะชีวภาพนั้นจะถือว่ามีการชดเชยอุณหภูมิ_แล้ว

จังหวะชีวภาพช่วยให้สิ่งมีชีวิตสามารถคาดการณ์และเตรียมพร้อมสำหรับการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมที่แม่นยำและสม่ำเสมอ ดังนั้นจึงช่วยให้สิ่งมีชีวิตสามารถใช้ทรัพยากรสิ่งแวดล้อม (เช่น แสงและอาหาร) ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเทียบกับสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถคาดการณ์ความพร้อมใช้งานดังกล่าวได้ ดังนั้นจึงมีการเสนอแนะว่าจังหวะชีวภาพทำให้สิ่งมีชีวิตได้เปรียบในเชิงวิวัฒนาการ อย่างไรก็ตาม จังหวะชีวภาพดูเหมือนจะมีความสำคัญในการควบคุมและประสานกระบวนการเผาผลาญภายใน เช่นเดียวกับการประสาน งาน กับ สิ่งแวดล้อม^{[ 33 ]}สิ่งนี้ได้รับการเสนอแนะโดยการคงอยู่ (การถ่ายทอดทางพันธุกรรม) ของจังหวะชีวภาพในแมลงวันผลไม้หลังจากหลายร้อยชั่วอายุคนในสภาพห้องปฏิบัติการที่คงที่^{[ 34 ]}เช่นเดียวกับในสิ่งมีชีวิตที่อยู่ในความมืดคงที่ในป่า และโดยการกำจัดจังหวะชีวภาพทางพฤติกรรม—แต่ไม่ใช่ทางสรีรวิทยา—ในนกกระทาโดย การทดลอง ^{[ 35 ] [ 36 ]}

อะไรเป็นแรงผลักดันให้เกิดวิวัฒนาการของจังหวะชีวภาพเป็นคำถามที่ลึกลับ สมมติฐานก่อนหน้านี้เน้นว่าโปรตีนที่ไวต่อแสงและจังหวะชีวภาพอาจเกิดขึ้นพร้อมกันในเซลล์แรกเริ่ม โดยมีจุดประสงค์เพื่อปกป้อง DNA ที่กำลังจำลองตัวเองจาก รังสี อัลตราไวโอเลต ที่เป็นอันตรายในระดับสูง ในเวลากลางวัน ส่งผลให้การจำลองตัวเองถูกจำกัดให้อยู่ในที่มืด อย่างไรก็ตาม หลักฐานสำหรับเรื่องนี้ยังขาดอยู่ ในความเป็นจริง สิ่งมีชีวิตที่ง่ายที่สุดที่มีจังหวะชีวภาพ เช่น ไซยาโนแบคทีเรีย กลับทำตรงกันข้าม คือ พวกมันแบ่งตัวมากขึ้นในเวลากลางวัน^{[ 37 ]}การศึกษาล่าสุดกลับเน้นย้ำถึงความสำคัญของการวิวัฒนาการร่วมกันของ โปรตีน รีดอกซ์กับออสซิลเลเตอร์ชีวภาพในทั้งสามโดเมนของสิ่งมีชีวิตหลังจากเหตุการณ์ออกซิเดชันครั้งใหญ่เมื่อประมาณ 2.3 พันล้านปีก่อน^{[ 1 ] [ 4 ]}มุมมองปัจจุบันคือการเปลี่ยนแปลงของระดับออกซิเจนในสิ่งแวดล้อมตามรอบวันและการผลิตสารออกซิเจนที่ออกฤทธิ์ (ROS) เมื่อมีแสงแดดน่าจะผลักดันให้เกิดความจำเป็นในการพัฒนาจังหวะรอบวันเพื่อป้องกันและต่อต้านปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน ที่เป็นอันตราย ในแต่ละวัน

นาฬิกาชีวภาพที่ง่ายที่สุดที่รู้จักกันคือจังหวะชีวภาพของแบคทีเรียตัวอย่างเช่น ไซยาโนแบคทีเรีย ที่เป็นโปรคาริโอต การวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นว่านาฬิกาชีวภาพของSynechococcus elongatusสามารถสร้างขึ้นใหม่ในหลอดทดลอง ได้ โดยใช้เพียงโปรตีนสามตัว ( KaiA , KaiBและKaiC ) ^{[ 38 ]}ของออสซิลเลเตอร์กลาง นาฬิกานี้แสดงให้เห็นว่าสามารถรักษาจังหวะ 22 ชั่วโมงได้นานหลายวันเมื่อเติมATPคำอธิบายก่อนหน้านี้เกี่ยวกับตัวรักษาเวลาชีวภาพของโปรคาริโอตขึ้นอยู่กับกลไกป้อนกลับการถอดรหัส/การแปล DNA

ความบกพร่องใน ยีน " period " ของ Drosophila ที่เป็นโฮโมล็อกของมนุษย์ ถูกระบุว่าเป็นสาเหตุของความผิดปกติของการนอนหลับ FASPS ( Familial advanced sleep phase syndrome ) ซึ่งเน้นย้ำถึงลักษณะที่ได้รับการอนุรักษ์ของนาฬิกาชีวภาพระดับโมเลกุลผ่านวิวัฒนาการ ปัจจุบันมีการค้นพบส่วนประกอบทางพันธุกรรมของนาฬิกาชีวภาพมากขึ้น ปฏิสัมพันธ์ของส่วนประกอบเหล่านี้ส่งผลให้เกิดวงจรป้อนกลับที่เชื่อมโยงกันของผลิตภัณฑ์ยีน ส่งผลให้เกิดความผันผวนเป็นระยะ ซึ่งเซลล์ของร่างกายตีความว่าเป็นช่วงเวลาเฉพาะของวัน^{[ 39 ]}

ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันแล้วว่านาฬิกาชีวภาพระดับโมเลกุลสามารถทำงานได้ภายในเซลล์เดียว นั่นคือ เป็นแบบเซลล์อิสระ^{[ 40 ]}สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์โดยGene Blockในเซลล์ประสาทเรตินาฐาน (BRN) ของหอย ที่แยกออกมา ^{[ 41 ]}ในขณะเดียวกัน เซลล์ต่างๆ อาจสื่อสารกัน ส่งผลให้เกิดการส่งสัญญาณไฟฟ้าที่ประสานกัน สิ่งเหล่านี้อาจเชื่อมต่อกับต่อมไร้ท่อในสมอง ส่งผลให้มีการปล่อยฮอร์โมนเป็นระยะ ตัวรับฮอร์โมนเหล่านี้อาจอยู่ไกลทั่วร่างกายและประสานนาฬิกาชีวภาพส่วนปลายของอวัยวะต่างๆ ดังนั้น ข้อมูลเวลาของวันตามที่ส่งผ่านทางดวงตาจะเดินทางไปยังนาฬิกาในสมอง และผ่านทางนั้น นาฬิกาในส่วนอื่นๆ ของร่างกายอาจประสานกันได้ นี่คือวิธีที่นาฬิกาชีวภาพควบคุมการกำหนดเวลาของการนอนหลับ/ตื่น อุณหภูมิร่างกาย ความกระหายน้ำ และความอยากอาหารอย่างประสานงานกัน^{[ 42 ] [ 43 ]}

จังหวะชีวภาพปรากฏอยู่ในรูปแบบการนอนหลับและการกินอาหารของสัตว์ รวมถึงมนุษย์ นอกจากนี้ยังมีรูปแบบที่ชัดเจนของอุณหภูมิแกนกลางของร่างกายกิจกรรมคลื่นสมอง การผลิต ฮอร์โมนการสร้างเซลล์ใหม่ และกิจกรรมทางชีวภาพอื่นๆ ยิ่งไปกว่านั้น ปฏิกิริยาทาง สรีรวิทยาของสิ่งมีชีวิตต่อความยาวของวันหรือกลางคืนมีความสำคัญต่อทั้งพืชและสัตว์ และระบบชีวภาพมีบทบาทในการวัดและการตีความความยาวของวัน การคาดการณ์ช่วงเวลาตามฤดูกาลของสภาพอากาศ ความพร้อมของอาหาร หรือกิจกรรมของผู้ล่าอย่างทันท่วงทีมีความสำคัญต่อการอยู่รอดของหลายสายพันธุ์ แม้จะไม่ใช่พารามิเตอร์เดียว แต่ความยาวของช่วงเวลาแสง (ความยาวของวัน) ที่เปลี่ยนแปลงไปเป็นสัญญาณสิ่งแวดล้อมที่คาดการณ์ได้ดีที่สุดสำหรับช่วงเวลาตามฤดูกาลของสรีรวิทยาและพฤติกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการกำหนดเวลาของการอพยพ การจำศีล และการสืบพันธุ์^{[ 44 ]}

การกลายพันธุ์หรือการลบยีนนาฬิกาในหนูแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของนาฬิกาชีวภาพในร่างกายเพื่อให้แน่ใจว่าจังหวะเวลาของเหตุการณ์เซลล์/เมตาบอลิซึมเป็นไปอย่างเหมาะสม หนูที่กลายพันธุ์ยีนนาฬิกาจะกินมากเกินไปและเป็นโรคอ้วน และมีการเผาผลาญกลูโคสที่เปลี่ยนแปลงไป^{[ 45 ]}ในหนู การลบ ยีนนาฬิกา Rev-ErbA alphaอาจส่งผลให้เกิดโรคอ้วน ที่เกิดจากอาหาร และเปลี่ยนแปลงสมดุลระหว่าง การใช้ กลูโคสและไขมัน ทำให้มีแนวโน้มที่จะเป็นโรคเบาหวาน^{[ 46 ]}อย่างไรก็ตาม ยังไม่ชัดเจนว่ามีความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างโพลีมอร์ฟิซึมของยีนนาฬิกาในมนุษย์และความเสี่ยงต่อการเกิดกลุ่มอาการเมตาบอลิกหรือ ไม่ ^{[ 46 ] [ 47 ]}

จังหวะดังกล่าวเชื่อมโยงกับวงจรแสง-มืด สัตว์ต่างๆ รวมทั้งมนุษย์ ที่ถูกเก็บไว้ในความมืดสนิทเป็นเวลานาน ในที่สุดก็จะทำงานตาม จังหวะ อิสระ วงจร การนอนหลับของพวกมันจะถูกเลื่อนไปข้างหน้าหรือข้างหลังในแต่ละ "วัน" ขึ้นอยู่กับว่า "วัน" หรือช่วงเวลา ภายในของพวกมันสั้นกว่าหรือยาวกว่า 24 ชั่วโมง สัญญาณสิ่งแวดล้อมที่รีเซ็ตจังหวะในแต่ละวันเรียกว่า zeitgebers ^{[ 48 ]}สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมใต้ดินที่ตาบอดสนิท (เช่นหนูตุ่นตาบอดSpalax sp.) สามารถรักษานาฬิกาภายในของพวกมันไว้ได้แม้จะไม่มีสิ่งเร้าภายนอก แม้ว่าพวกมันจะไม่มีดวงตาที่สร้างภาพได้ แต่ตัวรับ แสง (ซึ่งตรวจจับแสง) ของพวกมันยังคงทำงานได้ และพวกมันก็ขึ้นมาบนพื้นผิวเป็นระยะๆ ด้วย^{[ 49 ]}

สิ่งมีชีวิตที่เคลื่อนไหวอย่างอิสระซึ่งโดยปกติจะมีการนอนหลับต่อเนื่องหนึ่งหรือสองครั้ง จะยังคงมีการนอนหลับต่อเนื่องเมื่ออยู่ในสภาพแวดล้อมที่ป้องกันจากสัญญาณภายนอก แต่จังหวะจะไม่ถูกปรับให้เข้ากับวงจรแสง-มืด 24 ชั่วโมงในธรรมชาติ จังหวะการนอนหลับ-ตื่น ในสถานการณ์เหล่านี้ อาจไม่สอดคล้องกับจังหวะเซอร์คาเดียนหรืออัลตราเดียน อื่นๆ เช่น จังหวะการเผาผลาญ ฮอร์โมน ไฟฟ้าของระบบประสาทส่วนกลาง หรือสารสื่อประสาท^{[ 50 ]}

งานวิจัยล่าสุดมีอิทธิพลต่อการออกแบบ สภาพแวดล้อม ของยานอวกาศเนื่องจากพบว่าระบบที่เลียนแบบวงจรแสง-มืดมีประโยชน์อย่างมากต่อนักบินอวกาศ^{[ 51 ]}การบำบัดด้วยแสงได้รับการทดลองใช้เป็นวิธีการรักษาความผิดปกติของการนอนหลับ

นักวิจัยชาวนอร์เวย์ที่มหาวิทยาลัยทรอมโซได้แสดงให้เห็นว่าสัตว์ในแถบอาร์กติก บางชนิด (เช่นนกพาร์ทามิแกนกวางเรนเดียร์ ) แสดงจังหวะชีวภาพเฉพาะในช่วงเวลาของปีที่มีพระอาทิตย์ขึ้นและตกทุกวัน ในการศึกษากวางเรนเดียร์ครั้งหนึ่ง สัตว์ที่ละติจูด70 องศาเหนือแสดงจังหวะชีวภาพในฤดูใบไม้ร่วง ฤดูหนาว และฤดูใบไม้ผลิ แต่ไม่แสดงในฤดูร้อน กวางเรนเดียร์บนเกาะสฟาลบาร์ดที่ละติจูด 78 องศาเหนือแสดงจังหวะดังกล่าวเฉพาะในฤดูใบไม้ร่วงและฤดูใบไม้ผลิเท่านั้น นักวิจัยสงสัยว่าสัตว์ในแถบอาร์กติกชนิดอื่น ๆ อาจไม่แสดงจังหวะชีวภาพในสภาพที่มีแสงสว่างคงที่ในฤดูร้อนและสภาพที่มืดมิดคงที่ในฤดูหนาวเช่นกัน^{[ 52 ]}

จากการศึกษาในปี 2006 ในอลาสก้าตอนเหนือ พบว่า กระรอกดินที่หากินในเวลากลางวันและเม่นที่ หากินในเวลากลางคืน สามารถรักษาจังหวะชีวภาพของพวกมันได้อย่างเคร่งครัดตลอด 82 วันและคืนที่มีแสงแดด นักวิจัยสันนิษฐานว่าสัตว์ฟันแทะทั้งสองชนิดนี้สังเกตเห็นว่าระยะห่างที่ปรากฏระหว่างดวงอาทิตย์กับเส้นขอบฟ้าสั้นที่สุดเพียงวันละครั้ง และด้วยเหตุนี้จึงมีสัญญาณเพียงพอที่จะปรับตัวได้^{[ 53 ]}

การนำทางในการอพยพในฤดูใบไม้ร่วงของผีเสื้อโมนาร์ชอเมริกาเหนือตะวันออก ( Danaus plexippus ) ไปยังแหล่งพักอาศัยในฤดูหนาวในเม็กซิโกตอนกลาง ใช้เข็มทิศแสงอาทิตย์ที่ชดเชยเวลาซึ่งขึ้นอยู่กับนาฬิกาชีวภาพในหนวดของพวกมัน^{[ 54 ] [ 55 ]}จังหวะชีวภาพยังเป็นที่ทราบกันดีว่าควบคุมพฤติกรรมการผสมพันธุ์ในผีเสื้อกลางคืน บาง ชนิด เช่นSpodoptera littoralis ซึ่งตัวเมียจะผลิต ฟีโรโมนเฉพาะที่ดึงดูดและรีเซ็ตจังหวะชีวภาพของตัวผู้เพื่อกระตุ้นการผสมพันธุ์ในเวลากลางคืน^{[ 56 ]}

แม้ว่าแสงจะเป็นตัวประสานหลักของจังหวะชีวภาพผ่านนิวเคลียสซูพราไคแอสมาติก (SCN) แต่สัญญาณสิ่งแวดล้อมอื่นๆ ก็มีอิทธิพลต่อนาฬิกาชีวภาพเช่นกัน การรับประทานอาหารมีบทบาทสำคัญในการควบคุมนาฬิกาชีวภาพส่วนปลายที่พบในตับ กล้ามเนื้อ และเนื้อเยื่อไขมัน การจำกัดเวลาในการรับประทานอาหารสามารถปรับนาฬิกาเหล่านี้ได้โดยการปรับเปลี่ยนสัญญาณแสง นอกจากนี้ กิจกรรมทางกายภาพยังส่งผลต่อระยะของจังหวะชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยการปรับการผลิตเมลาโทนินและอุณหภูมิร่างกาย อุณหภูมิเองก็เป็นตัวประสานที่สำคัญ ซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนจังหวะชีวภาพของเซลล์ได้ สุดท้าย ความเครียดและการปล่อยกลูโคคอร์ติคอยด์มีอิทธิพลต่อการแสดงออกของยีนนาฬิกา ซึ่งอาจทำให้วงจรชีวภาพหยุดชะงัก การบูรณาการปัจจัยเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำความเข้าใจจังหวะชีวภาพนอกเหนือจากการควบคุมด้วยแสงเพียงอย่างเดียว^{[ 57 ]}

จังหวะชีวภาพของพืชจะบอกพืชว่าฤดูใดและเวลาใดควรออกดอกเพื่อให้มีโอกาสดึงดูดแมลงผสมเกสรได้ดีที่สุด พฤติกรรมที่แสดงจังหวะ ได้แก่ การเคลื่อนไหวของใบ ( nyctinasty ) การเจริญเติบโต การงอก การแลกเปลี่ยนก๊าซ/ปากใบกิจกรรมของเอนไซม์กิจกรรมการสังเคราะห์แสงและการปล่อยกลิ่นหอม เป็นต้น^{[ 58 ]}จังหวะชีวภาพเกิดขึ้นเมื่อพืชปรับตัวให้เข้ากับวงจรแสงของสภาพแวดล้อมโดยรอบ จังหวะเหล่านี้ถูก สร้าง ขึ้นภายในสามารถดำรงอยู่ได้ด้วยตนเอง และค่อนข้างคงที่ในช่วงอุณหภูมิแวดล้อมต่างๆ คุณสมบัติที่สำคัญ ได้แก่วงจรป้อนกลับการถอดรหัส-การแปลสองวง ที่ทำงานร่วมกัน ได้แก่โปรตีนที่มีโดเมน PAS ซึ่งอำนวยความสะดวกในการโต้ตอบระหว่างโปรตีน และตัวรับแสงหลายตัวที่ปรับนาฬิกาให้เข้ากับสภาพแสงที่แตกต่างกัน การคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่เหมาะสมในสภาวะทางสรีรวิทยาของพืช ซึ่งให้ประโยชน์ในการปรับตัว^{[ 59 ]}ความเข้าใจที่ดียิ่งขึ้นเกี่ยวกับจังหวะชีวภาพของพืชมีประโยชน์ในด้านการเกษตร เช่น ช่วยให้เกษตรกรสามารถวางแผนการเก็บเกี่ยวพืชผลให้เหลื่อมกันเพื่อยืดระยะเวลาการเก็บเกี่ยว และป้องกันการสูญเสียจำนวนมากเนื่องจากสภาพอากาศ

แสงเป็นสัญญาณที่พืชใช้ในการปรับนาฬิกาภายในให้เข้ากับสภาพแวดล้อม และถูกรับรู้โดยตัวรับแสงหลากหลายชนิด แสงสีแดงและสีน้ำเงินถูกดูดซับผ่านไฟโตโครมและคริปโตโครม หลายชนิด ไฟโตโครม A (phyA) มีความไวต่อแสงและช่วยให้เกิดการงอกและการเจริญเติบโตเมื่อแสงน้อย^{[ 60 ]}ไฟโตโครม B–E มีความเสถียรมากกว่า โดย phyB เป็นไฟโตโครมหลักในต้นกล้าที่เติบโตในที่สว่าง ยีนคริปโตโครม (cry) ก็เป็นส่วนประกอบที่ไวต่อแสงของนาฬิกาชีวภาพเช่นกัน และเชื่อว่ามีส่วนเกี่ยวข้องทั้งในฐานะตัวรับแสงและเป็นส่วนหนึ่งของกลไกควบคุมจังหวะภายในของนาฬิกา คริปโตโครม 1–2 (เกี่ยวข้องกับสีน้ำเงิน–UVA) ช่วยรักษาระยะเวลาของนาฬิกาให้คงที่ในสภาวะแสงที่หลากหลาย^{[ 58 ] [ 59 ]}

ตัวกำเนิดสัญญาณกลางสร้างจังหวะที่ยั่งยืนด้วยตนเองและถูกขับเคลื่อนโดยวงจรป้อนกลับสองวงที่โต้ตอบกันซึ่งทำงานในช่วงเวลาต่างๆ ของวัน วงจรตอนเช้าประกอบด้วยcircadian and clock-associated 1 (CCA1) และlate elongated hypocotyl (LHY) ซึ่งเข้ารหัสปัจจัยการถอดรหัส MYB ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด ซึ่งควบคุมจังหวะชีวภาพในArabidopsisรวมถึงตัวควบคุมการตอบสนองเทียม PRR7 และ PRR9 วงจรตอนเย็นประกอบด้วย GI (Gigantea) และ ELF4 ซึ่งทั้งสองเกี่ยวข้องกับการควบคุมยีนเวลาออกดอก^{[ 61 ] [ 62 ]}เมื่อ CCA1 และ LHY ถูกแสดงออกมากเกินไป (ภายใต้สภาวะแสงหรือความมืดคงที่) พืชจะไม่มีจังหวะ และสัญญาณ mRNA จะลดลง ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดวงจรป้อนกลับเชิง ลบ การแสดงออกของยีน CCA1 และ LHY จะแกว่งและถึงจุดสูงสุดในช่วงเช้าตรู่ ในขณะที่การแสดงออกของยีน TOC1จะแกว่งและถึงจุดสูงสุดในช่วงเย็น แม้ว่าก่อนหน้านี้จะมีการตั้งสมมติฐานว่ายีนทั้งสามนี้เป็นแบบจำลองของวงจรป้อนกลับเชิงลบ โดยที่ CCA1 และ LHY ที่แสดงออกมากเกินไปจะยับยั้ง TOC1 และ TOC1 ที่แสดงออกมากเกินไปจะเป็นตัวควบคุมเชิงบวกของ CCA1 และ LHY ^{[ 59 ]}แต่ในปี 2012 แอนดรูว์ มิลลาร์และคณะได้แสดงให้เห็นว่า TOC1 ทำหน้าที่เป็นตัวยับยั้งไม่เพียงแต่ CCA1, LHY และ PRR7 และ 9 ในวงจรตอนเช้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึง GI และ ELF4 ในวงจรตอนเย็นด้วย การค้นพบนี้และการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์เพิ่มเติมเกี่ยวกับหน้าที่และการโต้ตอบของยีน TOC1 ชี้ให้เห็นถึงการปรับเปลี่ยนกรอบของนาฬิกาชีวภาพของพืชให้เป็นแบบจำลอง ตัวยับยั้งองค์ประกอบเชิงลบสามตัวแทนที่จะเป็นวงจรป้อนกลับองค์ประกอบเชิงบวก/เชิงลบที่เป็นลักษณะเฉพาะของนาฬิกาในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม^{[ 63 ]}

ในปี 2018 นักวิจัยพบว่าการแสดงออกของทรานสคริปต์ hnRNA ของ PRR5 และ TOC1 เป็นไปตามรูปแบบการแกว่งแบบเดียวกันกับทรานสคริปต์ mRNA ที่ประมวลผลแล้วซึ่งเกิดขึ้นเป็นจังหวะในA. thaliana LNKs จับกับบริเวณ 5' ของ PRR5 และ TOC1 และมีปฏิสัมพันธ์กับ RNAP II และปัจจัยการถอดรหัสอื่นๆ ยิ่งไปกว่านั้น ปฏิสัมพันธ์ระหว่าง RVE8-LNKs ช่วยให้รูปแบบการเมทิลเลชั่นของฮิสโตนที่อนุญาต (H3K4me3) สามารถถูกดัดแปลงได้ และการดัดแปลงฮิสโตนเองก็ขนานไปกับการแกว่งของการแสดงออกของยีนนาฬิกา^{[ 64 ]}

ก่อนหน้านี้มีการค้นพบว่าการปรับจังหวะชีวภาพของพืชให้เข้ากับวงจรแสงและความมืดของสภาพแวดล้อมภายนอกนั้นมีศักยภาพที่จะส่งผลดีต่อพืชได้^{[ 65 ]}นักวิจัยได้ข้อสรุปนี้โดยการทำการทดลองกับArabidopsis thaliana สามสายพันธุ์ที่แตกต่างกัน สายพันธุ์หนึ่งมีวงจรชีวภาพปกติ 24 ชั่วโมง^{[ 65 ]}อีกสองสายพันธุ์มีการกลายพันธุ์ โดยสายพันธุ์หนึ่งมีวงจรชีวภาพมากกว่า 27 ชั่วโมง และอีกสายพันธุ์หนึ่งมีวงจรชีวภาพที่สั้นกว่าปกติคือ 20 ชั่วโมง^{[ 65 ]}

อะราบิโดปซิสที่มีวงจรชีวภาพ 24 ชั่วโมงถูกปลูกในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน 3 แบบ^{[ 65 ]}สภาพแวดล้อมหนึ่งมีวงจรแสงและมืด 20 ชั่วโมง (แสง 10 ชั่วโมงและมืด 10 ชั่วโมง) อีกสภาพแวดล้อมหนึ่งมีวงจรแสงและมืด 24 ชั่วโมง (แสง 12 ชั่วโมงและมืด 12 ชั่วโมง) และสภาพแวดล้อมสุดท้ายมีวงจรแสงและมืด 28 ชั่วโมง (แสง 14 ชั่วโมงและมืด 14 ชั่วโมง) ^{[ 65 ]}พืชกลายพันธุ์ทั้งสองชนิดถูกปลูกในสภาพแวดล้อมที่มีวงจรแสงและมืด 20 ชั่วโมง และในสภาพแวดล้อมที่มีวงจรแสงและมืด 28 ชั่วโมง^{[ 65 ]}พบว่าอะราบิโดปซิส สายพันธุ์ ที่มีวงจรชีวภาพ 24 ชั่วโมงเจริญเติบโตได้ดีที่สุดในสภาพแวดล้อมที่มีวงจรแสงและมืด 24 ชั่วโมงเช่นกัน^{[ 65 ]}โดยรวมแล้ว พบว่าพันธุ์Arabidopsis thaliana ทั้งหมด มีระดับคลอโรฟิลล์ ที่สูงขึ้น และมีการเจริญเติบโตเพิ่มขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีวงจรแสงและมืดที่ตรงกับจังหวะชีวภาพของพวกมัน^{[ 65 ]}

นักวิจัยแนะนำว่าเหตุผลหนึ่งอาจเป็นเพราะการปรับ จังหวะชีวภาพ ของArabidopsisให้เข้ากับสภาพแวดล้อมจะช่วยให้พืชเตรียมพร้อมสำหรับรุ่งอรุณและพลบค่ำได้ดีขึ้น และด้วยเหตุนี้จึงสามารถประสานกระบวนการต่างๆ ได้ดียิ่งขึ้น^{[ 65 ]}ในการศึกษานี้ยังพบว่ายีนที่ช่วยควบคุมคลอโรฟิลล์มีค่าสูงสุดไม่กี่ชั่วโมงหลังรุ่งอรุณ^{[ 65 ]}ซึ่งดูเหมือนจะสอดคล้องกับปรากฏการณ์ที่เสนอไว้ที่เรียกว่ารุ่งอรุณทางเมตาบอลิซึม^{[ 66 ]}

ตามสมมติฐานรุ่งอรุณแห่งเมตาบอลิซึม น้ำตาลที่ผลิตโดยการสังเคราะห์แสงมีศักยภาพที่จะช่วยควบคุมจังหวะชีวภาพและเส้นทางการสังเคราะห์แสงและเมตาบอลิซึมบางอย่าง^{[ 66 ] [ 67 ]}เมื่อดวงอาทิตย์ขึ้น แสงสว่างจะมีมากขึ้น ซึ่งโดยปกติจะทำให้เกิดการสังเคราะห์แสงมากขึ้น^{[ 66 ]}น้ำตาลที่ผลิตโดยการสังเคราะห์แสงจะยับยั้ง PRR7 ^{[ 68 ]}การยับยั้ง PRR7 นี้จะนำไปสู่การแสดงออกของ CCA1 ที่เพิ่มขึ้น^{[ 68 ]}ในทางกลับกัน ระดับน้ำตาลจากการสังเคราะห์แสงที่ลดลงจะเพิ่มการแสดงออกของ PRR7 และลดการแสดงออกของ CCA1 ^{[ 66 ]}วงจรป้อนกลับระหว่าง CCA1 และ PRR7 นี้เองที่ถูกเสนอให้เป็นสาเหตุของรุ่งอรุณแห่งเมตาบอลิซึม^{[ 66 ] [ 69 ]}

กลไกโมเลกุลของจังหวะชีวภาพและการรับรู้แสงเป็นที่เข้าใจได้ดีที่สุดในแมลงหวี่ ยีนนาฬิกาถูกค้นพบจากแมลงหวี่และยีนเหล่านี้ทำงานร่วมกับเซลล์ประสาทนาฬิกา มีจังหวะที่เป็นเอกลักษณ์สองจังหวะ จังหวะหนึ่งเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการฟักตัว (เรียกว่าการฟักออกจากดักแด้) และอีกจังหวะหนึ่งเกิดขึ้นระหว่างการผสมพันธุ์^{[ 70 ]}เซลล์ประสาทนาฬิกาตั้งอยู่ในกลุ่มที่แตกต่างกันในสมองส่วนกลาง เซลล์ประสาทนาฬิกาที่เข้าใจได้ดีที่สุดคือเซลล์ประสาทด้านข้างส่วนล่างขนาดใหญ่และขนาดเล็ก (l-LNvs และ s-LNvs) ของกลีบตา เซลล์ประสาทเหล่านี้ผลิตปัจจัยกระจายเม็ดสี (PDF) ซึ่งเป็นนิวโรเปปไทด์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวปรับจังหวะชีวภาพระหว่างเซลล์ประสาทนาฬิกาที่แตกต่างกัน^{[ 71 ]}

จังหวะชีวภาพของแมลง หวี่เกิดขึ้นผ่านวงจรป้อนกลับการถอดรหัสและการแปล กลไกนาฬิกาหลักประกอบด้วยวงจรป้อนกลับที่พึ่งพาซึ่งกันและกันสองวง ได้แก่ วงจร PER/TIM และวงจร CLK/CYC ^{[ 72 ]}วงจร CLK/CYC เกิดขึ้นในเวลากลางวันและเริ่มต้นการถอดรหัสของ ยีน perและtimแต่ระดับโปรตีนของพวกมันยังคงต่ำจนถึงพลบค่ำ เนื่องจากในเวลากลางวันยังมีการกระตุ้น ยีน doubletime ( dbt ) ด้วย โปรตีน DBT ทำให้เกิดการฟอสฟอริเลชันและการหมุนเวียนของโปรตีน PER แบบโมโนเมอร์^{[ 73 ] [ 74 ]} TIM ยังได้รับการฟอสฟอริเลชันโดย shaggy จนถึงพระอาทิตย์ตก หลังจากพระอาทิตย์ตก DBT จะหายไป ทำให้โมเลกุล PER จับกับ TIM ได้อย่างมั่นคง ไดเมอร์ PER/TIM เข้าสู่นิวเคลียสในเวลากลางคืนหลายครั้งและจับกับไดเมอร์ CLK/CYC PER ที่จับแล้วจะหยุดกิจกรรมการถอดรหัสของ CLK และ CYC อย่างสมบูรณ์^{[ 75 ]}

ในช่วงเช้าตรู่ แสงจะกระตุ้น ยีน cryและโปรตีน CRY จะทำให้ TIM สลายตัว ดังนั้นไดเมอร์ PER/TIM จึงแยกตัวออก และ PER ที่ไม่จับตัวกันจะกลายเป็นสิ่งที่ไม่เสถียร PER จะเกิดการฟอสโฟรีเลชันอย่างต่อเนื่องและในที่สุดก็สลายตัว การไม่มี PER และ TIM จะทำให้ ยีน clkและcyc ถูกกระตุ้น ดังนั้นนาฬิกาจึงถูกรีเซ็ตเพื่อเริ่มต้นวงจรชีวภาพรอบต่อไป^{[ 76 ]}

แบบจำลองโปรตีนนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นโดยอิงจากการแกว่งของโปรตีน PER และ TIM ในแมลงหวี่^{[ 77 ]}โดยอิงจากแบบจำลอง PER รุ่นก่อนหน้า ซึ่งอธิบายว่ายีน PER และโปรตีนมีอิทธิพลต่อนาฬิกาชีวภาพอย่างไร^{[ 78 ]}แบบจำลองนี้รวมถึงการก่อตัวของคอมเพล็กซ์ PER-TIM ในนิวเคลียส ซึ่งมีอิทธิพลต่อการถอดรหัสของยีน PER และ TIM (โดยการให้ผลตอบรับเชิงลบ) และการฟอสโฟรีเลชันหลายครั้งของโปรตีนทั้งสองนี้ การแกว่งของวงจรชีวภาพของโปรตีนทั้งสองนี้ดูเหมือนจะซิงโครไนซ์กับวงจรแสง-มืด แม้ว่าจะไม่จำเป็นต้องขึ้นอยู่กับวงจรดังกล่าวก็ตาม^{[ 79 ] [ 77 ]}ทั้งโปรตีน PER และ TIM จะถูกฟอสโฟรีเลชัน และหลังจากที่พวกมันก่อตัวเป็นคอมเพล็กซ์ PER-TIM ในนิวเคลียสแล้ว พวกมันจะกลับเข้าไปในนิวเคลียสเพื่อหยุดการแสดงออกของ mRNA ของ PER และ TIM การยับยั้งนี้จะคงอยู่ตราบเท่าที่โปรตีนหรือ mRNA ยังไม่สลายตัว^{[ 77 ]}เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น คอมเพล็กซ์จะปลดปล่อยการยับยั้ง นอกจากนี้ยังสามารถกล่าวได้ว่าการสลายตัวของโปรตีน TIM จะถูกเร่งให้เร็วขึ้นด้วยแสง^{[ 79 ]}

นาฬิกาชีวภาพหลักในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมตั้งอยู่ในนิวเคลียสซูพ ราไคแอสมาติก (SCN) ซึ่งเป็นกลุ่ม เซลล์ที่แตกต่างกันสองกลุ่มที่อยู่ในไฮโปทาลามัสการทำลาย SCN ส่งผลให้ไม่มีจังหวะการนอนหลับ-ตื่นที่สม่ำเสมอ SCN รับข้อมูลเกี่ยวกับแสงสว่างผ่านทางดวงตาเรตินาของดวงตามีตัวรับแสง แบบ "คลาสสิก" (" แท่ง " และ " กรวย ") ซึ่งใช้สำหรับการมองเห็นแบบปกติ แต่เรตินายังมีเซลล์แกงลีออน พิเศษ ที่ไวต่อแสงโดยตรง และส่งสัญญาณไปยัง SCN โดยตรง ซึ่งช่วยในการปรับจังหวะ (การซิงโครไนซ์) ของนาฬิกาชีวภาพหลักนี้ โปรตีนที่เกี่ยวข้องกับนาฬิกา SCN มีความคล้ายคลึงกับโปรตีนที่พบในแมลงวันผลไม้^{[ 80 ]}

เซลล์เหล่านี้มีเม็ดสีรับแสงเมลาโนปซินและสัญญาณของพวกมันจะเดินทางตามเส้นทางที่เรียกว่าเส้นทางเรตินาไฮโปทาลามิกซึ่งนำไปสู่ ​​SCN หากนำเซลล์จาก SCN ออกไปเพาะเลี้ยง เซลล์เหล่านั้นจะยังคงรักษาจังหวะของตัวเองไว้ได้แม้ไม่มีสัญญาณภายนอก^{[ 81 ]}

SCN รับข้อมูลเกี่ยวกับความยาวของกลางวันและกลางคืนจากเรตินา ตีความ และส่งต่อไปยังต่อมไพเนียลซึ่งเป็นโครงสร้างขนาดเล็กที่มีรูปร่างคล้ายกรวยสนและตั้งอยู่บนเอพิธาลามัส ต่อมไพเนียลจะหลั่งฮอร์โมนเมลาโทนินออก มา ^{[ 82 ]}การหลั่งเมลาโทนินจะสูงสุดในเวลากลางคืนและลดลงในเวลากลางวัน และการมีอยู่ของเมลาโทนินจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับความยาวของกลางคืน

การศึกษาหลายชิ้นระบุว่าเมลาโทนินจากต่อมไพเนียลส่งผลย้อนกลับต่อจังหวะการทำงานของ SCN เพื่อปรับรูปแบบกิจกรรมตามรอบวันและกระบวนการอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ลักษณะและความสำคัญในระดับระบบของผลย้อนกลับนี้ยังไม่เป็นที่ทราบ^{[ 83 ]}

จังหวะชีวภาพของมนุษย์สามารถปรับให้เข้ากับช่วงเวลาที่สั้นกว่าและยาวกว่า 24 ชั่วโมงของโลกได้เล็กน้อย นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้แสดงให้เห็นว่ามนุษย์สามารถปรับให้เข้ากับวงจร 23.5 ชั่วโมงและวงจร 24.65 ชั่วโมงได้เป็นอย่างน้อย^{[ 84 ]}

การวิจัยในช่วงแรกเกี่ยวกับจังหวะชีวภาพชี้ให้เห็นว่าคนส่วนใหญ่ชอบให้เวลาในแต่ละวันใกล้เคียงกับ 25 ชั่วโมงเมื่อแยกออกจากสิ่งเร้าภายนอก เช่น แสงแดดและการจับเวลา อย่างไรก็ตาม การวิจัยนี้มีข้อบกพร่องเนื่องจากไม่ได้ป้องกันผู้เข้าร่วมจากแสงประดิษฐ์ แม้ว่าผู้ถูกทดลองจะถูกป้องกันจากสัญญาณบอกเวลา (เช่น นาฬิกา) และแสงแดด แต่ผู้วิจัยก็ไม่ทราบถึงผลกระทบของแสงไฟฟ้าภายในอาคารที่ทำให้จังหวะชีวภาพล่าช้า^{[ 85 ]}ผู้ถูกทดลองได้รับอนุญาตให้เปิดไฟเมื่อตื่นและปิดไฟเมื่อต้องการนอนหลับ แสงไฟฟ้าในตอนเย็นทำให้จังหวะชีวภาพของพวกเขาล่าช้า^{[ 86 ]}การศึกษาที่เข้มงวดมากขึ้นซึ่งดำเนินการในปี 1999 โดยมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดประเมินว่าจังหวะชีวภาพตามธรรมชาติของมนุษย์นั้นใกล้เคียงกับ 24 ชั่วโมง 11 นาที ซึ่งใกล้เคียงกับวันสุริยะ มากกว่า ^{[ 87 ]}สอดคล้องกับการวิจัยนี้คือการศึกษาล่าสุดจากปี 2010 ซึ่งระบุความแตกต่างทางเพศด้วย โดยช่วงเวลาของจังหวะชีวภาพสำหรับผู้หญิงจะสั้นกว่าเล็กน้อย (24.09 ชั่วโมง) กว่าสำหรับผู้ชาย (24.19 ชั่วโมง) ^{[ 88 ]}ในการศึกษานี้ ผู้หญิงมีแนวโน้มที่จะตื่นนอนเร็วกว่าผู้ชายและแสดงความชอบกิจกรรมตอนเช้ามากกว่าผู้ชาย แม้ว่ากลไกทางชีววิทยาที่อยู่เบื้องหลังความแตกต่างเหล่านี้จะยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดก็ตาม^{[ 88 ]}

ตัวชี้วัดระยะแบบคลาสสิกที่ใช้ในการวัดจังหวะการทำงานของร่างกายตามรอบวันของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ได้แก่:

• การหลั่ง เมลาโทนิน^โดยต่อมไพเนียล [ ^{89 ]}
• อุณหภูมิแกนกลางร่างกายต่ำสุด^{[ 89 ]}และ
• ระดับพลาสมาของคอร์ติซอล^{[ 90 ]}

สำหรับการศึกษาเรื่องอุณหภูมิ ผู้ถูกทดลองต้องตื่นอยู่แต่สงบและเอนตัวกึ่งนอนในที่มืดสนิทในขณะที่วัดอุณหภูมิทางทวารหนักอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าจะมีความแตกต่างกันมากในกลุ่มคนที่มีจังหวะชีวิต ปกติ แต่โดยเฉลี่ยแล้วอุณหภูมิของผู้ใหญ่จะลดลงต่ำสุดประมาณ 5:00 น. ซึ่งประมาณสองชั่วโมงก่อนเวลาตื่นนอนตามปกติ Baehr et al. ^{[ 91 ]}พบว่าในผู้ใหญ่ที่อายุน้อย อุณหภูมิร่างกายต่ำสุดในแต่ละวันจะเกิดขึ้นประมาณ 04:00 น. (4 นาฬิกา) สำหรับคนประเภทตื่นเช้า แต่ประมาณ 06:00 น. (6 นาฬิกา) สำหรับคนประเภทนอนดึก อุณหภูมิต่ำสุดนี้เกิดขึ้นประมาณกลางช่วงเวลาการนอนหลับแปดชั่วโมงสำหรับคนประเภทตื่นเช้า แต่ใกล้กับเวลาตื่นนอนสำหรับคนประเภทนอนดึก

เมลาโทนินจะไม่มีอยู่ในระบบหรือมีปริมาณต่ำจนตรวจไม่พบในเวลากลางวัน การเริ่มต้นของเมลาโทนินในที่แสงสลัว (DLMO) ซึ่งเกิดขึ้นประมาณ 21:00 น. (21.00 น.) สามารถวัดได้ในเลือดหรือน้ำลายเมตาโบไลต์ หลักของ เมลาโทนินยังสามารถวัดได้ในปัสสาวะตอนเช้า ทั้ง DLMO และจุดกึ่งกลาง (ในเวลา) ของการมีฮอร์โมนในเลือดหรือน้ำลายถูกใช้เป็นตัวบ่งชี้จังหวะชีวิตประจำวัน อย่างไรก็ตาม งานวิจัยใหม่บ่งชี้ว่าการสิ้นสุด ของเมลาโทนิน อาจเป็นตัวบ่งชี้ที่น่าเชื่อถือกว่า Benloucif et al. ^{[ 89 ]}พบว่าตัวบ่งชี้เฟสของเมลาโทนินมีความเสถียรและมีความสัมพันธ์กับเวลาของการนอนหลับมากกว่าอุณหภูมิแกนกลางต่ำสุด พวกเขาพบว่าทั้งการสิ้นสุดของการนอนหลับและการสิ้นสุดของเมลาโทนินมีความสัมพันธ์กับตัวบ่งชี้เฟสมากกว่าการเริ่มต้นของการนอนหลับ นอกจากนี้ เฟสที่ลดลงของระดับเมลาโทนินมีความน่าเชื่อถือและเสถียรมากกว่าการสิ้นสุดของการสังเคราะห์เมลาโทนิน

การเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาอื่นๆ ที่เกิดขึ้นตามจังหวะเซอร์คาเดียน ได้แก่อัตราการเต้นของหัวใจและกระบวนการของเซลล์หลายอย่าง "รวมถึงความเครียดจากออกซิเดชันการเผาผลาญของเซลล์การตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันและการอักเสบ^{[ 92 ]} การดัดแปลงเอพิเจเนติกส์เส้นทางการตอบสนองต่อภาวะขาดออกซิเจน / ภาวะออกซิเจนเกินความเครียดของเอนโดพลาสมิกเรติคูลั ม ออโตฟาจีและการควบคุม สภาพแวดล้อมของ เซลล์ต้นกำเนิด " ^{[ 93 ]}ในการศึกษาในชายหนุ่ม พบว่าอัตราการเต้นของหัวใจจะต่ำที่สุดโดยเฉลี่ยในระหว่างการนอนหลับ และสูงที่สุดโดยเฉลี่ยหลังจากตื่นนอนไม่นาน^{[ 94 ]}

ตรงกันข้ามกับการศึกษาครั้งก่อน พบว่าอุณหภูมิร่างกายไม่มีผลต่อประสิทธิภาพในการทดสอบทางจิตวิทยา ซึ่งอาจเป็นเพราะแรงกดดันทางวิวัฒนาการสำหรับการทำงานของระบบการรับรู้ที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับด้านการทำงานอื่นๆ ที่ตรวจสอบในการศึกษาครั้งก่อน^{[ 95 ]}

จังหวะชีวภาพอิสระมากบ้างน้อยบ้างพบได้ในอวัยวะและเซลล์หลายแห่งในร่างกายนอกเหนือจากนิวเคลียสซูพราไคแอสมาติก (SCN) ซึ่งเป็น "นาฬิกาหลัก" อันที่จริง นักประสาทวิทยา โจเซฟ ทาคาฮาชิ และเพื่อนร่วมงานได้กล่าวไว้ในบทความปี 2013 ว่า "เกือบทุกเซลล์ในร่างกายมีนาฬิกาชีวภาพ" ^{[ 96 ]} ตัวอย่างเช่น นาฬิกาเหล่านี้เรียกว่าออสซิลเลเตอร์ส่วนปลาย พบได้ในต่อมหมวกไตหลอดอาหารปอดตับ ตับอ่อน ม้าม ต่อมไทมัสและผิวหนัง[ 97 ] ^{[ 98 ] [ 99 ] นอกจากนี้ยัง}มีหลักฐานบางอย่างที่แสดงว่าหลอดรับกลิ่น^{[ 100 ]}และต่อมลูกหมาก^{[ 101 ]}อาจมีการแกว่งตัวอย่างน้อยเมื่อเพาะเลี้ยง

แม้ว่าออสซิลเลเตอร์ในผิวหนังจะตอบสนองต่อแสง แต่ก็ยังไม่มีการพิสูจน์อิทธิพลในระดับระบบ^{[ 102 ]}นอกจากนี้ ออสซิลเลเตอร์จำนวนมาก เช่นเซลล์ตับเป็นต้น ได้แสดงให้เห็นว่าตอบสนองต่อปัจจัยนำเข้าอื่นๆ นอกเหนือจากแสง เช่น การกินอาหาร^{[ 103 ]}

แสงจะรีเซ็ตนาฬิกาชีวภาพตามเส้นโค้งการตอบสนองเฟส (PRC) ขึ้นอยู่กับจังหวะเวลา แสงสามารถทำให้จังหวะชีวภาพเร็วขึ้นหรือช้าลงได้ ทั้ง PRC และความสว่าง ที่ต้องการจะแตกต่างกันไปในแต่ละสายพันธุ์ และสัตว์ฟันแทะที่ออกหากิน ในเวลากลางคืนต้องการระดับแสงที่ต่ำกว่าเพื่อรีเซ็ตนาฬิกาชีวภาพเมื่อเทียบกับมนุษย์^{[ 104 ]}ระบบแสงที่ออกแบบมาเพื่อรองรับจังหวะชีวภาพ เช่น โคมไฟเพดานทรงกลม CircadianLux สามารถปรับระดับแสงได้แบบไดนามิกตามตัวชี้วัดต่างๆ เช่น ความสว่างเทียบเท่าแสงแดดเมลาโนปิก (M-EDI) โดยมีเป้าหมายเพื่อสนับสนุนนาฬิกาชีวภาพให้ดียิ่งขึ้น^{[ 105 ]}

การศึกษาวิจัยต่างๆ ในมนุษย์ได้ใช้รอบการนอนหลับ/ตื่นที่แตกต่างจาก 24 ชั่วโมงอย่างมาก เช่น การศึกษาที่ดำเนินการโดยNathaniel Kleitmanในปี 1938 (28 ชั่วโมง) และDerk-Jan DijkและCharles Czeisler ในช่วงทศวรรษ 1990 (20 ชั่วโมง) เนื่องจากผู้ที่มี นาฬิกาชีวภาพปกติ (ทั่วไป) ไม่สามารถปรับตัวให้เข้ากับจังหวะกลางวัน/กลางคืนที่ผิดปกติเช่นนี้ได้^{[ 106 ]}จึงเรียกวิธีการนี้ว่าโปรโตคอลการบังคับให้เกิดความไม่สอดคล้องกัน ภายใต้โปรโตคอลดังกล่าว ช่วงเวลาการนอนหลับและการตื่นจะถูกแยกออกจากช่วงเวลาชีวภาพภายในของร่างกาย ซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถประเมินผลกระทบของเฟสชีวภาพ (เช่น เวลาสัมพัทธ์ของวงจรชีวภาพ) ต่อแง่มุมต่างๆ ของการนอนหลับและการตื่น รวมถึงระยะเวลาในการนอนหลับและฟังก์ชันอื่นๆ ทั้งทางสรีรวิทยา พฤติกรรม และการรับรู้^{[ 107 ] [ 108 ] [ 109 ] [ 110 ] [ 111 ]}

จากการศึกษาพบว่าแมงมุม Cyclosa turbinataมีลักษณะเฉพาะคือ การเคลื่อนไหวและการสร้างใยของมันทำให้มีนาฬิกาชีวภาพที่มีช่วงเวลาสั้นมาก ประมาณ 19 ชั่วโมง เมื่อ นำแมงมุม C. turbinataไปไว้ในห้องที่มีช่วงเวลาแสงสว่างและมืดแบ่งเท่าๆ กัน 19, 24 หรือ 29 ชั่วโมง พบว่าไม่มีแมงมุมตัวใดมีอายุขัยลดลงตามนาฬิกาชีวภาพของตัวเอง ผลการค้นพบเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าC. turbinataไม่ได้รับผลกระทบในทางลบจากการที่นาฬิกาชีวภาพไม่ประสานกันอย่างรุนแรงเหมือนกับสัตว์ชนิดอื่นๆ

ความก้าวหน้าของการวิจัยชีววิทยาของจังหวะชีวภาพคือการแปลกลไกพื้นฐานของนาฬิกาชีวภาพในร่างกายไปสู่เครื่องมือทางคลินิก และสิ่งนี้มีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งกับการรักษาโรคหัวใจและหลอดเลือด^{[ 112 ] [ 113 ] [ 114 ] [ 115 ]}การกำหนดเวลาการรักษาทางการแพทย์ให้สอดคล้องกับนาฬิกาชีวภาพในร่างกาย หรือการบำบัดตามเวลาอาจเป็นประโยชน์ต่อผู้ป่วยความดันโลหิตสูงโดยการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญและลดความเป็นพิษของยาหรือผลข้างเคียง^{[ 116 ]}ยาที่มุ่งเป้าไปที่กลไกของนาฬิกาชีวภาพ (เภสัชวิทยาของจังหวะชีวภาพ) ได้รับการพิสูจน์แล้วจากการทดลองว่าสามารถลดความเสียหายจากโรคหัวใจวายและป้องกันภาวะหัวใจล้มเหลวในแบบจำลองสัตว์ฟันแทะได้อย่างมีนัย สำคัญ ^{[ 117 ]}ที่สำคัญคือ เพื่อให้การแปลการบำบัดทางการแพทย์ตามจังหวะชีวภาพที่มีแนวโน้มดีที่สุดไปสู่การปฏิบัติทางคลินิกเป็นไปอย่างมีเหตุผล จำเป็นอย่างยิ่งที่เราต้องเข้าใจว่ามันช่วยรักษาโรคในทั้งสองเพศได้อย่างไร^{[ 118 ] [ 119 ] [ 120 ] [ 121 ]}

ความต้องการแสงสว่างสำหรับการควบคุมจังหวะชีวิตประจำวันไม่ได้เหมือนกับความต้องการแสงสว่างสำหรับการมองเห็น การวางแผนแสงสว่างภายในอาคารในสำนักงานและสถาบันต่างๆ เริ่มคำนึงถึงเรื่องนี้มากขึ้น^{[ 122 ]}การศึกษาในสัตว์เกี่ยวกับผลกระทบของแสงในห้องปฏิบัติการ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ได้พิจารณาเฉพาะความเข้มของแสง ( การแผ่รังสี ) แต่ไม่ได้พิจารณาสี ซึ่งสามารถแสดงให้เห็นได้ว่า "ทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมที่สำคัญของจังหวะทางชีวภาพในสภาพแวดล้อมที่เป็นธรรมชาติมากขึ้น" ^{[ 123 ]}

แสง LED สีน้ำเงินยับยั้ง การผลิต เมลาโทนินได้มากกว่าแสงโซเดียมความดันสูง (HPS) สีส้มเหลืองถึงห้าเท่า ในขณะที่ หลอดไฟเมทัลฮาไลด์ซึ่งเป็นแสงสีขาว ยับยั้งการผลิตเมลาโทนินได้มากกว่าแสง HPS ถึงสามเท่า^{[ 124 ]}อาการซึมเศร้าจากการสัมผัสแสงในเวลากลางคืนเป็นเวลานานสามารถแก้ไขได้โดยการกลับไปสู่รอบเดือนปกติ^{[ 125 ]}

เนื่องจากลักษณะงานของนักบินสายการบิน ซึ่งมักจะเดินทางข้ามเขตเวลาและภูมิภาคที่มีแสงแดดและความมืดหลายแห่งในหนึ่งวัน และใช้เวลาตื่นหลายชั่วโมงทั้งกลางวันและกลางคืน พวกเขามักจะไม่สามารถรักษารูปแบบการนอนหลับที่สอดคล้องกับจังหวะชีวภาพตามธรรมชาติของมนุษย์ได้ สถานการณ์นี้อาจนำไปสู่ความเหนื่อยล้าได้ง่ายNTSB ระบุว่านี่เป็นปัจจัยหนึ่งที่ทำให้เกิดอุบัติเหตุหลายครั้ง^{[ 126 ]}และได้ทำการวิจัยหลายครั้งเพื่อหาวิธีการต่อสู้กับความเหนื่อยล้าในนักบิน^{[ 127 ]}

การศึกษาวิจัยทั้งในสัตว์และมนุษย์แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์แบบสองทิศทางที่สำคัญระหว่างระบบจังหวะชีวภาพและยาเสพติด แสดงให้เห็นว่ายาเสพติดเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อตัวควบคุมจังหวะชีวภาพส่วนกลาง ผู้ที่มีความผิดปกติจากการใช้สารเสพติดจะมีจังหวะชีวภาพที่ผิดปกติ จังหวะชีวภาพที่ผิดปกตินี้สามารถเพิ่มความเสี่ยงต่อการใช้สารเสพติดและการกลับไปเสพซ้ำ เป็นไปได้ว่าความผิดปกติทางพันธุกรรมและ/หรือสิ่งแวดล้อมต่อวงจรการนอนหลับและการตื่นตามปกติสามารถเพิ่มความเสี่ยงต่อการติดยาเสพติดได้^{[ 128 ]}

เป็นการยากที่จะระบุว่าความผิดปกติของจังหวะชีวภาพเป็นสาเหตุของการเพิ่มขึ้นของการใช้สารเสพติดหรือไม่ หรือว่าปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมอื่นๆ เช่น ความเครียด เป็นสาเหตุ การเปลี่ยนแปลงของจังหวะชีวภาพและการนอนหลับเกิดขึ้นเมื่อบุคคลเริ่มใช้ยาเสพติดและแอลกอฮอล์ เมื่อบุคคลหยุดใช้ยาเสพติดและแอลกอฮอล์ จังหวะชีวภาพก็ยังคงถูกรบกวนต่อไป^{[ 128 ]}

การดื่ม แอลกอฮอล์จะรบกวนจังหวะการทำงานของร่างกาย โดยการดื่มในปริมาณมากจะทำให้ระดับเมลาโทนินและคอร์ติซอลเปลี่ยนแปลงไปตามปริมาณที่ดื่ม รวมถึงอุณหภูมิร่างกายส่วนกลาง ซึ่งจะกลับสู่ภาวะปกติในเช้าวันถัดไป ในขณะที่การดื่มแอลกอฮอล์เรื้อรังจะนำไปสู่การรบกวนที่รุนแรงและต่อเนื่องมากขึ้น ซึ่งเกี่ยวข้องกับความผิดปกติจากการใช้แอลกอฮอล์ (AUD) และอาการถอนยา^{[ 129 ]}

การทำให้การนอนหลับและจังหวะชีวิตประจำวันคงที่อาจช่วยลดความเสี่ยงต่อการเสพติดและลดโอกาสการกลับไปเสพซ้ำได้^{[ 128 ]}

จังหวะเซอร์คาเดียนและ ยีน นาฬิกาที่แสดงออกในบริเวณสมองนอกนิวเคลียสซูพราไคแอสมาติกอาจมีอิทธิพลอย่างมากต่อผลที่เกิดจากยาเสพติด เช่นโคเคน^{[ 130 ]}ยิ่งไปกว่านั้น การดัดแปลงทางพันธุกรรมของยีนนาฬิกาส่งผลกระทบอย่างมากต่อการทำงานของโคเคน^{[ 131 ]}

การรบกวนจังหวะมักส่งผลเสีย นักเดินทางหลายคนเคยประสบกับภาวะที่เรียกว่าอาการเจ็ตแล็กซึ่งมีอาการร่วมด้วยหลายอย่าง เช่นความเหนื่อยล้าสับสนนอนไม่หลับอาหารไม่ย่อย นอนหลับยาก เบื่ออาหาร หงุดหงิด ปวดศีรษะ และอ้วน การรบกวนจังหวะชีวภาพจะลดการหลั่งเมลาโทนิน เปลี่ยนรูปแบบการหลั่งฮอร์โมนจากต่อมใต้สมอง และเพิ่มความเครียดออกซิเดชันที่กระตุ้นให้เกิดการเสื่อมของระบบประสาท ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดความผิดปกติทางจิตเวชหลายอย่าง เช่นโรคอารมณ์สองขั้ว โรคซึมเศร้าและความผิดปกติของการนอนหลับ บางอย่าง เช่นโรคนอนหลับผิดปกติแบบล่าช้า (DSPD) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำงานที่ผิดปกติหรือเป็นพยาธิสภาพของจังหวะชีวภาพ^{[ 132 ] [ 133 ] [ 134 ] [ 135 ]}

เชื่อกันว่าการหยุดชะงักของจังหวะในระยะยาวจะส่งผลเสียต่อสุขภาพอย่างมากต่ออวัยวะส่วนปลายที่อยู่นอกสมอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการพัฒนาหรือทำให้โรคหัวใจและหลอดเลือดรุนแรงขึ้น^{[ 136 ] [ 137 ]}

การศึกษาต่างๆ แสดงให้เห็นว่าการรักษาการนอนหลับและจังหวะชีวภาพให้เป็นปกติมีความสำคัญต่อสมองและสุขภาพในหลายด้าน^{[ 136 ]}การศึกษาจำนวนมากยังระบุว่าการงีบหลับสั้นๆ ในระหว่างวันสามารถลดความเครียดและอาจเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานได้โดยไม่มีผลกระทบต่อจังหวะชีวภาพตามปกติ^{[ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]}จังหวะชีวภาพยังมีบทบาทในระบบกระตุ้นเรติคูลาร์ซึ่งมีความสำคัญต่อการรักษาสภาวะการรับรู้ การกลับกันของวงจรการนอนหลับ-ตื่นอาจเป็นสัญญาณหรือภาวะแทรกซ้อนของ^ภาวะยูเรเมีย [ ^{141 ]} ภาวะ อะโซทีเมียหรือ ภาวะไต วายเฉียบพลัน^{[ 142 ] [ 143 ]}การศึกษายังช่วยชี้แจงว่าแสงมีผลโดยตรงต่อสุขภาพของมนุษย์ผ่านอิทธิพลต่อชีววิทยาของจังหวะชีวภาพ^{[ 144 ]}

หนึ่งในงานวิจัยแรกๆ ที่ศึกษาว่าการรบกวนจังหวะชีวภาพทำให้เกิดโรคหัวใจและหลอดเลือดได้อย่างไรนั้น ดำเนินการในหนูแฮมสเตอร์สายพันธุ์เทา ซึ่งมีข้อบกพร่องทางพันธุกรรมในกลไกนาฬิกาชีวภาพ^{[ 145 ]}เมื่อเลี้ยงในวงจรแสง-มืด 24 ชั่วโมงที่ "ไม่สอดคล้อง" กับกลไกชีวภาพ 22 ชั่วโมงตามปกติ พวกมันจะเกิดโรคหัวใจและหลอดเลือดและโรคไตอย่างรุนแรง ซึ่งส่งผลกระทบต่อพยาธิสรีรวิทยาและหน้าที่การทำงานของหัวใจและหลอดเลือด (เช่น อัตราการเต้นของหัวใจ ความดันโลหิต) ผลกระทบนี้ได้รับการศึกษาในกลุ่มคนทำงานกะ โดยเปรียบเทียบระดับโปรตีน C-reactive และความดันโลหิตในสองกลุ่มทดลอง ผลการศึกษาพบว่าระดับ hs-CRP 24 ชั่วโมง รวมถึงความดันโลหิตซิสโตลิกและไดแอสโตลิกเพิ่มขึ้น 11% ^{[ 146 ]} การรบกวนนาฬิกาชีวภาพยังเป็นปัจจัยเสี่ยงที่สำคัญสำหรับความดันโลหิตสูง โรคหลอดเลือดสมองตีบ โรคหลอดเลือดหัวใจ หรือการเสียชีวิตจากภาวะหัวใจหยุดเต้นเฉียบพลัน ผลกระทบด้านลบของการไม่สอดคล้องกันของจังหวะชีวิตประจำวันต่อสรีรวิทยาของมนุษย์ได้รับการศึกษาในห้องปฏิบัติการโดยใช้โปรโตคอลการไม่สอดคล้องกัน^{[ 147 ] [ 148 ]}และโดยการศึกษาผู้ทำงานกะ^{[ 112 ] [ 149 ] [ 150 ]}การไม่สอดคล้องกันของจังหวะชีวิตประจำวันเกี่ยวข้องกับปัจจัยเสี่ยงหลายประการของโรคหัวใจและหลอดเลือด มีรายงานว่าระดับของไบโอมาร์กเกอร์หลอดเลือดแดงแข็งตัวอย่างเรซิสตินสูงในผู้ทำงานกะ ซึ่งบ่งชี้ถึงความเชื่อมโยงระหว่างการไม่สอดคล้องกันของจังหวะชีวิตประจำวันกับการสะสมของคราบพลัคในหลอดเลือดแดง^{[ 150 ]}นอกจากนี้ ยังพบระดับไตรกลีเซอไรด์ (โมเลกุลที่ใช้ในการเก็บกรดไขมันส่วนเกิน) ที่สูงขึ้น ซึ่งมีส่วนทำให้หลอดเลือดแดงแข็งตัว ซึ่งเกี่ยวข้องกับโรคหัวใจและหลอดเลือด รวมถึงหัวใจวาย โรคหลอดเลือดสมอง และโรคหัวใจ [ ^{150 ] [ 151 ] การ}ทำงานกะและการไม่สอดคล้องกันของจังหวะชีวิตประจำวันที่เกิดขึ้นยังเกี่ยวข้องกับความดันโลหิตสูงอีกด้วย^{[ 152 ]}

ในบรรดาปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับวิถีชีวิตและปัจจัยทางพันธุกรรม การหยุดชะงักของนาฬิกาชีวภาพและ/หรือความไม่สอดคล้องของระบบเวลาชีวภาพกับสภาพแวดล้อมภายนอก (เช่น วงจรแสง-มืด) อาจมีบทบาทในการพัฒนาความผิดปกติทางเมตาบอลิซึม เช่น โรคอ้วนโรคเบาหวาน ภาวะน้ำตาลใน เลือดสูง ภาวะไขมันในเลือดสูง และความดันโลหิตสูง^{[ 146 ]}

การทำงานเป็นกะหรืออาการเจ็ตแล็ก เรื้อรัง ส่งผลกระทบอย่างมากต่อเหตุการณ์ทางชีวภาพและการเผาผลาญในร่างกาย สัตว์ที่ถูกบังคับให้กินอาหารในช่วงเวลาพักผ่อนจะมีมวลร่างกายเพิ่มขึ้นและการแสดงออกของยีนนาฬิกาและยีนเผาผลาญเปลี่ยนแปลงไป^{[ 153 ] [ 151 ]}ในมนุษย์ การทำงานเป็นกะที่เอื้อต่อเวลาการกินที่ไม่สม่ำเสมอเกี่ยวข้องกับความไวต่ออินซูลินที่เปลี่ยนแปลงไป โรคเบาหวาน และมวลร่างกายที่สูงขึ้น^{[ 152 ] [ 151 ] [ 154 ]}

การทำงานของสมองที่ลดลง (เช่น ความตื่นตัว อารมณ์ กิจกรรมทางสังคม ประสิทธิภาพทางกายภาพ) เกี่ยวข้องกับความไม่สอดคล้องกันของจังหวะชีวิตประจำวัน^{[ 146 ]}ผู้ทำงานกะกลางคืนเรื้อรังมีอัตราความผิดพลาดในการปฏิบัติงานเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพการทำงานของระบบการมองเห็นและการเคลื่อนไหวบกพร่อง และประสิทธิภาพการประมวลผลลดลง ซึ่งอาจนำไปสู่การลดลงของประสิทธิภาพการทำงานและปัญหาด้านความปลอดภัย^{[ 155 ]}ความเสี่ยงต่อภาวะสมองเสื่อมที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวข้องกับผู้ทำงานกะกลางคืนเรื้อรังเมื่อเทียบกับผู้ทำงานกะกลางวัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับบุคคลที่มีอายุมากกว่า 50 ปี^{[ 156 ] [ 157 ] [ 158 ]}

การนอนหลับไม่เพียงพอได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำให้ประสิทธิภาพทั้งด้านการรับรู้^{[ 159 ]}และด้านร่างกาย ลดลง ^{[ 160 ]}

การศึกษาเกี่ยวกับความแตกต่างของจังหวะชีวภาพระหว่างเพศต่างๆ ชี้ให้เห็นว่าผู้หญิงอาจมีจังหวะชีวภาพที่เร็วกว่า โดยสภาพแสงอาจเป็นปัจจัยหนึ่ง^{[ 5 ]}การหยุดชะงักของจังหวะชีวภาพในเพศหญิงอาจเพิ่มโอกาสใน การเกิดความผิดปกติ ของรอบเดือนและภาวะมีบุตรยาก ในขณะที่ในเพศชายการหยุดชะงักของจังหวะชีวภาพอาจนำไปสู่คุณภาพน้ำอสุจิ ที่ลดลง ^{[ 2 ]}

ในปี 2017 Jeffrey C. Hall , Michael W. YoungและMichael Rosbashได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ "จากการค้นพบกลไกโมเลกุลที่ควบคุมจังหวะชีวภาพ" ^{[ 161 ] [ 162 ]}

จังหวะชีวภาพถูกนำมาใช้เป็นตัวอย่างของการถ่ายทอดความรู้ทางวิทยาศาสตร์สู่สาธารณชน^{[ 163 ]}

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับจังหวะชีวิตประจำวัน (Circadian rhythm )