โครโนไบโอโลยีเป็นสาขาหนึ่งของชีววิทยาที่ศึกษาเกี่ยว กับ กระบวนการกำหนดเวลารวมถึงปรากฏการณ์เป็นคาบ (วัฏจักร) ในสิ่งมีชีวิต เช่น การปรับตัวให้เข้ากับจังหวะที่เกี่ยวข้องกับดวงอาทิตย์และดวงจันทร์^{[ 1 ]}วัฏจักรเหล่านี้เรียกว่าจังหวะทางชีววิทยา โครโนไบโอโลยีมาจากภาษากรีกโบราณχρόνος ( chrónosซึ่งหมายถึง "เวลา") และชีววิทยาซึ่งเกี่ยวข้องกับการศึกษาหรือวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตคำที่เกี่ยวข้อง เช่น โครโนมิกส์และโครโนมถูกนำมาใช้ในบางกรณีเพื่ออธิบาย กลไกระดับ โมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์โครโนไบโอโลยี หรือแง่มุมเชิงปริมาณของโครโนไบโอโลยี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อจำเป็นต้องเปรียบเทียบวัฏจักรระหว่างสิ่งมีชีวิต

การศึกษาทางชีววิทยาเชิงเวลาประกอบด้วยแต่ไม่จำกัดเพียงกายวิภาคศาสตร์เชิง เปรียบเทียบ สรีรวิทยาพันธุศาสตร์ ชีววิทยาระดับโมเลกุลและพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้องกับจังหวะทางชีวภาพ [ ^{1 ] ด้าน} อื่นๆ ได้แก่เอพิเจเนติกส์การพัฒนา การสืบพันธุ์ นิเวศวิทยา และวิวัฒนาการ

โครโนไบโอโลยีศึกษาการเปลี่ยนแปลงของจังหวะเวลาและระยะเวลาของกิจกรรมทางชีวภาพในสิ่งมีชีวิต ซึ่งเกิดขึ้นในกระบวนการทางชีวภาพที่สำคัญหลายอย่าง สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นในสัตว์ (การกิน การนอน การผสมพันธุ์ การจำศีล การอพยพ การสร้างเซลล์ใหม่ ฯลฯ) ในพืช (การเคลื่อนไหวของใบ ปฏิกิริยาการ สังเคราะห์แสงฯลฯ) เช่นเดียวกับในจุลินทรีย์ เช่น เชื้อราและโปรโตซัว นอกจากนี้ยังพบในแบคทีเรียโดยเฉพาะอย่างยิ่งในไซยาโนแบคทีเรีย (สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน) จังหวะที่ได้รับการศึกษามากที่สุดในโครโนไบโอโลยีคือจังหวะเซอร์เคเดียนซึ่งเป็นวัฏจักรประมาณ 24 ชั่วโมงที่แสดงโดยกระบวนการทางสรีรวิทยาในสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ทั้งหมด คำว่าเซอร์เคเดียนมาจากภาษาละตินcircaซึ่งหมายถึง "รอบๆ" และdiesซึ่งหมายถึง "วัน" หมายความว่า "ประมาณหนึ่งวัน" จังหวะเซอร์เคเดียนถูกควบคุมโดยนาฬิกาเซอร์เคเดียนซึ่งเป็นกลไกทางชีวเคมีที่ควบคุมกระบวนการทางสรีรวิทยาตามเวลาของวัน^{[ 2 ]}

จังหวะเซอร์คาเดียนควบคุมพฤติกรรมรวมถึงช่วงเวลาของระยะกิจกรรม โดยขึ้นอยู่กับระยะกิจกรรมตามธรรมชาติ สิ่งมีชีวิตสามารถจำแนกได้เป็น 3 ประเภท: ^{[ 3 ]}

• กลางวัน (Diurnal ) หมายถึงสิ่งมีชีวิตที่ออกหากินในเวลากลางวัน
• ออกหากินเวลากลางคืน (Nocturnal ) หมายถึงสิ่งมีชีวิตที่ออกหากินในเวลากลางคืน
• สัตว์ ที่ออกหากินในเวลาพลบค่ำและรุ่งเช้า (เช่น แมวบ้าน^{[ 4 ]}กวางหางขาว ค้างคาวบางชนิด)

ในขณะที่จังหวะเซอร์คาเดียนถูกสร้างขึ้นโดย กระบวนการ ภายในร่างกายจังหวะเหล่านี้สามารถถูกควบคุมได้ทั้งจากสัญญาณภายในและภายนอกร่างกาย วงจรชีวภาพอื่นๆ อาจถูกควบคุมโดยสัญญาณภายนอกร่างกาย เช่นจังหวะจันทร์ในสิ่งมีชีวิตในทะเลที่ถูกกำหนดโดยวัฏจักรของดวงจันทร์^{[ 5 ]}

นอกจากนี้ยังมีการศึกษาวัฏจักรสำคัญอื่นๆ อีกมากมาย ได้แก่:

• จังหวะอินฟราเดียนซึ่งเป็นรอบที่ยาวกว่าหนึ่งวัน ตัวอย่างเช่นรอบประจำปีหรือรอบรายปีที่ควบคุมการอพยพหรือรอบการสืบพันธุ์ในพืชและสัตว์หลายชนิด หรือรอบประจำเดือน ของ มนุษย์^{[ 6 ]}
• จังหวะอัลตราเดียนซึ่งเป็นรอบที่สั้นกว่า 24 ชั่วโมง เช่นรอบ REM 90 นาที รอบจมูก 4 ชั่วโมง หรือรอบ การผลิตฮอร์โมนการเจริญเติบโต 3 ชั่วโมง^{[ 7 ]}
• จังหวะน้ำขึ้นน้ำลงซึ่งมักพบเห็นได้ในสิ่งมีชีวิตในทะเล โดยเป็นไปตามการเปลี่ยนผ่านจากน้ำขึ้นสู่น้ำลงและกลับมาอีกครั้งในเวลาประมาณ 12.4 ชั่วโมง^{[ 5 ]}
• จังหวะของดวงจันทร์ซึ่งเป็นไปตามรอบเดือนจันทรคติ (29.5 วัน) มีความสำคัญ เช่น สำหรับสิ่งมีชีวิตในทะเล เนื่องจากระดับน้ำขึ้นน้ำลงจะถูกปรับเปลี่ยนไปตามรอบดวงจันทร์^{[ 5 ]}

ภายในแต่ละรอบ ช่วงเวลาที่กระบวนการมีความเคลื่อนไหวมากขึ้นเรียกว่าอะโครเฟส [ ^{8 ] เมื่อ} กระบวนการมีความเคลื่อนไหวน้อยลง รอบนั้นจะอยู่ในบาธีเฟสหรือ ช่วง ต่ำสุดช่วงเวลาที่มีกิจกรรมสูงสุดเรียกว่าจุดสูงสุดหรือ จุด สูงสุดจุดต่ำสุดเรียกว่านาดีร์

วงจรชีวภาพถูกสังเกตครั้งแรกในศตวรรษที่ 18 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสJean-Jacques d'Ortous de Mairanใน การเคลื่อนไหวของใบพืช ^{[ 9 ] [ 10 ]}ในปี 1751 นักพฤกษศาสตร์และนักธรรมชาติวิทยา ชาวสวีเดน Carl Linnaeus (Carl von Linné) ได้ออกแบบนาฬิกาจากดอกไม้ โดยใช้ พืชดอกบางชนิดโดยการจัดเรียงพันธุ์ที่เลือกไว้ในรูปแบบวงกลม เขาได้ออกแบบนาฬิกาที่แสดงเวลาของวันโดยดอกไม้ที่บานในแต่ละชั่วโมง ตัวอย่างเช่น ในบรรดาสมาชิกของวงศ์เดซี่เขาใช้ ต้น ฮอว์กส์เบียร์ดซึ่งบานเวลา 6:30 น. และต้นฮอว์กบิตซึ่งไม่บานจนกว่าจะถึงเวลา 7:00 น. ^{[ 11 ]}

การประชุมสัมมนาที่ห้องปฏิบัติการโคลด์สปริงฮาร์เบอร์ ในปี 1960 ได้วางรากฐานสำหรับสาขาชีววิทยาเวลา^{[ 12 ]}

นอกจากนี้ ในปี พ.ศ. 2503 แพทริเซีย เดอคอร์ซีย์ได้คิดค้นเส้นโค้งการตอบสนองเฟสในขณะที่ศึกษาการตอบสนองต่อแสงในสัตว์ฟันแทะ ซึ่งเป็นหนึ่งในเครื่องมือสำคัญที่ใช้ในสาขานี้ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา^{[ 13 ]}

Franz Halbergจากมหาวิทยาลัยมินนิโซตาผู้บัญญัติศัพท์คำว่าcircadianได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางว่าเป็น "บิดาแห่งชีววิทยาเวลาของอเมริกา" อย่างไรก็ตามColin Pittendrighไม่ใช่ Halberg ที่ได้รับเลือกให้เป็นผู้นำสมาคมเพื่อการวิจัยจังหวะชีวภาพในช่วงทศวรรษ 1970 Halberg ต้องการเน้นเรื่องของมนุษย์และปัญหาทางการแพทย์มากกว่า ในขณะที่ Pittendrigh มีพื้นฐานด้านวิวัฒนาการและนิเวศวิทยามากกว่า ภายใต้การนำของ Pittendrigh สมาชิกของสมาคมได้ทำการวิจัยพื้นฐานเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตทุกประเภท ทั้งพืชและสัตว์ เมื่อไม่นานมานี้ การได้รับทุนสนับสนุนสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตอื่นนอกเหนือจากหนู หนูแรต มนุษย์^{[ 14 ] [ 15 ]}และแมลงวันผลไม้ เป็นเรื่อง ยาก

การศึกษาวิจัยก่อนหน้านี้เกี่ยวกับชีววิทยาของจังหวะชีวภาพได้แสดงให้เห็นว่า การได้รับแสงในช่วงเวลาที่ไม่ปกติจะนำไปสู่การนอนหลับไม่เพียงพอและการรบกวนระบบจังหวะชีวภาพ ซึ่งส่งผลต่ออารมณ์และการทำงานของระบบการ รับรู้ แม้ว่าความสัมพันธ์ทางอ้อมนี้จะได้รับการยืนยันแล้ว แต่ก็ยังไม่มีการศึกษามากนักเพื่อตรวจสอบว่ามีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างการได้รับแสงที่ไม่สม่ำเสมอ อารมณ์ที่ผิดปกติ การทำงานของระบบการรับรู้ รูปแบบการนอนหลับปกติ และการแกว่งของจังหวะชีวภาพหรือไม่ ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในปี 2012 ห้องปฏิบัติการ Hattar สามารถแสดงให้เห็นว่าวงจรแสงที่ผิดปกติทำให้เกิด อาการคล้าย ภาวะซึมเศร้า โดยตรง และนำไปสู่การเรียนรู้ที่บกพร่องในหนู โดยไม่ขึ้นอยู่กับการนอนหลับและการแกว่งของจังหวะชีวภาพ^{[ 21 ]}

Light and melatonin

More recently, light therapy and melatonin administration have been explored by Alfred J. Lewy (OHSU), Josephine Arendt (University of Surrey, UK) and other researchers as a means to reset animal and human circadian rhythms. Additionally, the presence of low-level light at night accelerates circadian re-entrainment of hamsters of all ages by 50%; this is thought to be related to simulation of moonlight.^[25]

In the second half of 20th century, substantial contributions and formalizations have been made by Europeans such as Jürgen Aschoff and Colin Pittendrigh, who pursued different but complementary views on the phenomenon of entrainment of the circadian system by light (parametric, continuous, tonic, gradual vs. nonparametric, discrete, phasic, instantaneous, respectively^[26]).

Chronotypes

Humans can have a propensity to be morning people or evening people; these behavioral preferences are called chronotypes for which there are various assessment questionnaires and biological marker correlations.^[27]

Mealtimes

นอกจากนี้ยังมีนาฬิกาชีวภาพที่สามารถปรับตามอาหารได้ ซึ่งไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะในนิวเคลียสซูพราไคแอสมาติก ตำแหน่งของนาฬิกานี้ยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ อย่างไรก็ตาม จากการศึกษาในหนูทดลอง ฟุลเลอร์และคณะสรุปว่านาฬิกาที่สามารถปรับตามอาหารได้นั้นดูเหมือนจะอยู่ในไฮโปทาลามัสส่วน ดอร์โซมีเดีย ล ในระหว่างการให้อาหารแบบจำกัด นาฬิกานี้จะเข้ามาควบคุมการทำงานต่างๆ เช่น การกำหนดเวลาของกิจกรรม ซึ่งจะเพิ่มโอกาสที่สัตว์จะสามารถค้นหาแหล่งอาหารได้สำเร็จ^{[ 28 ]}

รูปแบบการเปลี่ยนแปลงรายวันบนอินเทอร์เน็ต

ในปี 2018 การศึกษาที่ตีพิมพ์ใน PLoS ONE แสดงให้เห็นว่าตัวชี้วัดทางจิตวิทยา 73 ตัวที่วัดจากเนื้อหา Twitter เป็นไปตามรูปแบบรายวัน ^{[ 29 ]} การศึกษาติดตามผลที่ปรากฏใน Chronobiology International ในปี 2021 แสดงให้เห็นว่ารูปแบบเหล่านี้ไม่ได้ถูกรบกวนจากการล็อกดาวน์ในสหราชอาณาจักรในปี 2020 ^{[ 30 ]}

สารควบคุมจังหวะชีวภาพ

ในปี 2021 นักวิทยาศาสตร์รายงานการพัฒนาตัวปรับจังหวะการทำงานของเนื้อเยื่อที่ตอบสนองต่อแสงได้นานหลายวันผ่านการยับยั้ง Ck1ตัวปรับจังหวะดังกล่าวอาจมีประโยชน์สำหรับการวิจัยด้านชีววิทยาเวลาและการซ่อมแซมอวัยวะที่ "ไม่สอดคล้องกัน" ^{[ 31 ] [ 32 ]}

ความผิดปกติทางระบบประสาท

ในปี 2021 นักวิทยาศาสตร์พบว่าเด็กที่มีภาวะออทิสติกสเปกตรัมมีแนวโน้มที่จะมีวงจรการนอนหลับและการตื่นที่ผิดปกติ นอกจากนี้ยังพบว่าเด็กที่มีภาวะออทิสติกมีแนวโน้มที่จะมีวงจรฮอร์โมนคอร์ติซอล เมลาโทนิน และเซโรโทนินที่ผิดปกติในแต่ละวันมากกว่าคนทั่วไป^{[ 33 ]}

การศึกษาในปี 2017 พบว่าผู้ที่มีภาวะสมาธิสั้น (ADHD) มักจะมีระยะการนอนหลับที่ล่าช้าในจังหวะชีวภาพ ซึ่งหมายความว่าพวกเขานอนหลับช้ากว่าคนทั่วไป^{[ 34 ]}การศึกษาครั้งก่อนหน้าจากปี 2013 พบผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกับการศึกษาในปี 2017 แต่ยังพบความสัมพันธ์ระหว่างภาวะซึมเศร้าตามฤดูกาล ADHD และปัญหาการนอนหลับอีก ด้วย ^{[ 35 ]}

โรคและความผิดปกติทางกาย

ในปี 2015 การศึกษาเกี่ยวกับความถี่ของ การโจมตีของ โรคเกาต์พบว่าเกิดขึ้นบ่อยกว่าสองเท่าในเวลากลางคืนและเช้าตรู่เมื่อเทียบกับช่วงเวลาอื่น ๆ ของวัน^{[ 36 ]}การศึกษาเกี่ยวกับโรคกระดูกพรุน ในปี 2021 พบว่าการรบกวนจังหวะชีวิตประจำวัน (เช่น การทำงานกะกลางคืน) สามารถนำไปสู่โรคกระดูกพรุนได้โดยการรบกวนการสร้างกระดูกใหม่ที่มักเกิดขึ้นในเวลากลางคืน^{[ 37 ]}

โครโนไบโอโลยีเป็นสาขาการวิจัยแบบสหวิทยาการ มีปฏิสัมพันธ์กับสาขา การแพทย์และสาขาการวิจัยอื่นๆ เช่นเวชศาสตร์การนอนหลับต่อมไร้ท่อเวชศาสตร์ผู้สูงอายุ เวชศาสตร์การกีฬาเวชศาสตร์อวกาศจิตเวชศาสตร์และโฟโตพีริโอดีซึม^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}

• จังหวะชีวภาพของแบคทีเรีย
• นาฬิกาชีวภาพ (ความชรา)
• จังหวะชีวภาพ
• วัฏจักรประจำปี
• เซอร์คาเซปแทน วงจรชีวภาพ 7 วัน
• ลักษณะการนอนหลับที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรม
• แฟรงค์ เอ. บราวน์ จูเนียร์
• ฮิโตชิ โอคามูระ
• ภาวะสมดุลภายในร่างกาย
• ผลกระทบของแสงต่อจังหวะชีวิตประจำวัน
• การตอบสนองต่อแสง
• นิวเคลียสซูพราไคแอสมาติก
• สโคโตไบโอโลยี
• การรับรู้เวลา
• มัลคอล์ม ฟอน ชานซ์