Il nostro pianeta ruota attorno al proprio asse ogni 24 ore e genera in questo modo una condizione ambientale fondamentale per l'evoluzione degli organismi. Questi, infatti (sia le piante sia gli animali) hanno evoluto una sorta di ritmicità. Molte piante, infatti, hanno foglie o fiori che si ripiegano durante la notte e si distendono durante il giorno. Ed è interessante notare che il ritmo (di circa 24 ore) continua anche se lo stato di luce-buio è sperimentalmente modificato. Se per esempio gli animali sono mantenuti in condizioni sperimentali costanti quali: buio costante e temperatura constante con cibo e acqua a disposizione, essi manifestano ritmi giornalieri di attività (sonno-sveglia, pranzo, ecc). Questa persistenza di ciclo anche in assenza di oscillazioni di luce/buio è una chiara evidenza dell'esistenza di orologi biologici che sono interni all'organismo. Questi cicli comunque non sono esattamente di 24 ore e infatti vengono definiti ritmi circadiani dal latino “circa-dies“, cioè, attorno a un giorno.
Il ritmo può essere pensato come una sorta di cicli e la lunghezza di uno di questi cicli è detta periodo del ritmo. Ogni punto del ciclo è una fase del ciclo. Quindi quando due ritmi sono completamente sovrapponibili essi sono in fase, e se un ritmo è spostato, (come per esempio quanto si attua un azzeramento dell'orologio) esso può essere sfasato (fuori fase) in ritardo o in anticipo. Siccome il periodo di un ritmo circadiano non è esattamente di 24 ore, esso sarà sfasato in anticipo o in ritardo ogni giorno per essere in fase con il ciclo giornaliero dell'ambiente. Il processo di azzeramento (o aggiustamento) del ritmo circadiano non sarà toccato se le condizioni ambientali saranno costanti, esso scorrerà allora regolarmente.
Se il suo periodo è minore di 24 ore, l'animale inizierà le sue attività un poco prima ogni giorno. Va ricordato che l'ambito in cui si può modificare il ritmo in risposta a segnali ambientali è comunque limitato. Quando attraversiamo con l'aereo una zona con diversi fusi orari (per esempio voliamo verso gli Stai Uniti) il nostro orologio circadiano è sfasato con il “mondo reale” della nostra destinazione. Il risultato è il cosiddetto Jet Lag. Gradualmente il nostro orologio interno si sincronizzerà con il mondo reale (per esempio se siamo volati dall'Europa a New York, ci sono circa 6 ore di differenza). Siccome il nostro ritmo interno non può essere modificato per più di 30 - 60 minuti al giorno, l'aggiustamento del nostro ritmo con il nuovo ambiente richiederà qualche giorno. I sintomi del Jet Lag sono evidenti: ci farà svegliare prima, ci farà dormire, ci creerà appetito e stimolerà altre attività in momenti del giorno che sono inappropriati.
Ma dove si trova l'orologio che controlla il ritmo circadiano? Nei mammiferi il principale punto di controllo è localizzato in un piccolo gruppo di cellule nervose nel nostro cervello chiamato nucleo soprachiasmatico. Se questa struttura è distrutta, l'animale perde il suo ritmo e mostra alterate funzioni neuroendocrine e del sistema nervoso autonomo. È interessante osservare che la distruzione del ritmo circadiano è stato anche collegato allo sviluppo del cancro e alla progressione tumorale.
Sono stati identificati 8 geni che codificano per proteine che rappresentano il cuore del meccanismo molecolare alla base dell'orologio biologico. Esse sono: Clock, Casein Kinase I e (CKIe ) Cryptocrome 1 (Cry 1), Cryptocrome 2 (Cry 2), Period 1 (Per1), Period 2 (Per 2) e Period 3 (Per 3) e Bmal 1. Le proteine Clock e Bmal1 si associano e accendono la trascrizione di diversi geni tra questi i geni Cry1 e Per. L'accumulo delle proteine di Cry e di Per contribuiscono a spegnere la funzione del complesso Clock e Bmal e quindi a completare il ciclo molecolare.