Solenie ulic w Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Każdej zimy obowiązują samorządy lokalne w Stanach Zjednoczonych miliony ton soli drogowej do utrzymania żeglowności ulic podczas burz śnieżnych i lodowych. Spływ z topniejącego śniegu przenosi sól drogową do strumieni i jezior i powoduje, że wiele zbiorników wodnych ma wyjątkowo wysokie zasolenie.

W Rensselaer Polytechnic Institute, mój kolega Ricka Relyei a jego laboratorium pracuje nad ilościowym określeniem, jak wzrost zasolenia wpływa na ekosystemy. Nic dziwnego, że odkryli, że wysokie zasolenie ma negatywny wpływ na wiele gatunków. Odkryli również, że niektóre gatunki potrafią radzić sobie z takim wzrostem zasolenia.

Ale ta umiejętność ma swoją cenę. W niedawnym badaniu Rick i ja analizowaliśmy, w jaki sposób pospolity gatunek zooplanktonu Rozwielitka puleks, dostosowuje się do wzrastającego poziomu soli drogowej. Odkryliśmy, że ta ekspozycja wpłynęła na ważny rytm biologiczny: zegar dobowy, który może regulować Rozwielitkazachowania związane z karmieniem i unikaniem drapieżników. Ponieważ wiele ryb żeruje na Rozwielitka, efekt ten może mieć fale w całych ekosystemach. Nasza praca stawia również pytania o to, czy sól lub inne zanieczyszczenia środowiska mogą mieć podobny wpływ na ludzki zegar dobowy.

Dzienne rytmy biologiczne i zegar dobowy

Badając wpływ soli drogowej na ekosystemy wodne, laboratorium Relyea wykazało, że Rozwielitka puleks mogą dostosować się do obsługi umiarkowanych ekspozycji w zaledwie dwa i pół miesiąca. Poziomy te wahały się od 15 miligramów chlorku (element budulcowy soli) na litr wody do wysokiego 1,000 miligramów na litr – poziomu występującego w silnie zanieczyszczonych jeziorach w Ameryce Północnej.

Jednak zdolności organizmu do przystosowania się do czegoś w jego środowisku mogą również towarzyszyć negatywne kompromisy. Współpraca mojego laboratorium z Rick's rozpoczęła się w celu zidentyfikowania tych kompromisów w przystosowanych do soli Rozwielitka.

In moje laboratoriumbadamy nasze rytmy dobowe pozwól nam śledzić czas. Badamy, jak cząsteczki w naszych komórkach współpracują ze sobą, tykając jak zegar. Te rytmy okołodobowe pozwalają organizmowi przewidywać 24-godzinne oscylacje w swoim środowisku, takie jak zmiany światła (w dzień) na ciemność (w nocy) i są niezbędny dla sprawności organizmu.

Rick i ja postawiliśmy hipotezę, że przystosowanie do wysokiego zasolenia może zakłócić Dafni rytmy okołodobowe w oparciu o niedawne dowody wskazujące, że inne zanieczyszczenia środowiskowe mogą zakłócać zachowanie dobowe. Jedno ważne zachowanie w Rozwielitka że może być sterowany przez zegar dobowy jest migracja pionowa diela – największa dobowa migracja biomasy na Ziemi, która występuje w oceanach, zatokach i jeziorach. Plankton i ryby migrują w ciągu dnia na głębsze wody, aby uniknąć drapieżników i uszkodzeń słonecznych, a nocą wracają na powierzchnię, aby się pożywić.

Biorąc pod uwagę to, co wiemy o funkcji dobowej, logiczne byłoby założenie, że narażenie na zanieczyszczenia nie wpłynie na rytm dobowy organizmu. Chociaż zegary dobowe mogą uwzględniać informacje środowiskowe, aby określić porę dnia, nie są one silnie zbuforowany przed większością wpływów środowiskowych.

Aby zrozumieć znaczenie tego buforowania, wyobraź sobie, że czas trwania dnia organizmu reagował na temperaturę otoczenia. Ciepło przyspiesza reakcje molekularne, więc w upalne dni 24-godzinny rytm organizmu może wynosić 20 godzin, a w zimne 28 godzin. W istocie organizm miałby termometr, a nie zegar.

Adaptacja do zanieczyszczeń wpływa na kluczowe geny okołodobowe

Aby ustalić, czy zakłócenie zegara jest kompromisem w stosunku do adaptacji do zanieczyszczeń, najpierw musieliśmy to ustalić establish Rozwielitka jest regulowany przez zegar dobowy. W tym celu zidentyfikowaliśmy geny w Rozwielitka które są podobne do dwóch genów, znanych jako okres i zegar, w organizmie, który służy jako dobowy system modelowy: Drosophila melanogaster, pospolita muszka owocowa.

Śledziliśmy poziomy levels okres i zegar in Rozwielitka, utrzymując organizmy w ciągłej ciemności, aby zapewnić, że bodziec świetlny nie wpłynął na te poziomy. Nasze dane wykazały, że poziomy okres i zegar zmieniał się w czasie w rytmie dobowym – wyraźna wskazówka, że Rozwielitka mają funkcjonalny zegar dobowy.

Prześledziliśmy również te same geny w populacjach Rozwielitka które przystosowały się do zwiększonego zasolenia. Ku mojemu zdziwieniu odkryliśmy, że codzienna zmienność okres i zegar poziomy pogorszyły się bezpośrednio z poziom zasolenia Rozwielitka zostały przystosowane do. Innymi słowy, jak Rozwielitka przystosowane do wyższych poziomów zasolenia, wykazywały mniejsze zróżnicowanie w poziomach okres i zegar w ciągu dnia. To pokazało, że RozwielitkaNa zegar rzeczywiście ma wpływ narażenie na zanieczyszczenia.

Rozwielitki i inny plankton należą do najliczniej występujących organizmów na Ziemi i odgrywają kluczową rolę w środowisku.

{youtube}https://youtu.be/ziGtmjiUlJQ{/youtube}

Obecnie nie rozumiemy, co powoduje ten efekt, ale związek między poziomem zasolenia a zmniejszoną zmiennością poziomów okres i zegar oferuje wskazówkę. Wiemy, że narażenie na zanieczyszczenia powoduje, że rozwielitki ulegają regulacja epigenetyczna – zmiany chemiczne, które wpływają na funkcję ich genów, nie zmieniając ich DNA. A zmiany epigenetyczne często wykazują stopniową reakcję, stając się bardziej wyraźne wraz ze wzrostem czynnika przyczynowego. Dlatego jest prawdopodobne, że wysokie zasolenie wywołuje zmiany chemiczne poprzez te mechanizmy epigenetyczne w: Rozwielitka do tłumienia funkcji zegara dobowego.

Szerokie skutki zakłóceń zegara dobowego

Wiemy, że warunki środowiskowe mogą wpływać na to, co zegar reguluje u wielu gatunków. Na przykład zmiana cukru na grzyb Neurospora Crassa rośnie dalej zmienia zachowania, które reguluje zegar. Ale według naszej wiedzy, to badanie jest pierwszym, które pokazuje, że geny zegara rdzenia organizmu mogą być bezpośrednio dotknięte przez przystosowanie się do zanieczyszczenia środowiska. Nasze odkrycie sugeruje, że tak jak koła zębate zegara mechanicznego mogą z czasem rdzewieć, na zegar dobowy może mieć trwały wpływ czynniki środowiskowe.

Badania te mają ważne implikacje. Po pierwsze, jeśli Dafni zegar dobowy reguluje swój udział w migracji pionowej, wówczas zakłócenie zegara może oznaczać, że Rozwielitka nie migrują w słupie wody. Rozwielitka są kluczowymi konsumentami alg i źródłem pożywienia dla wielu ryb, zaburzając ich rytm dobowy może wpłynąć na całe ekosystemy.

Po drugie, nasze odkrycia wskazują, że zanieczyszczenie środowiska może mieć szerszy wpływ na ludzi niż wcześniej sądzono. Geny i procesy w Dafni zegary są bardzo podobne do tych, które regulują zegar u ludzi. Nasze rytmy okołodobowe kontrolują geny, które tworzą oscylacje komórkowe wpływające na funkcjonowanie, podział i wzrost komórek, a także parametry fizjologiczne, takie jak temperatura ciała i reakcje immunologiczne.

Ludzki zegar dobowy reguluje cykle wielu funkcji organizmu. NIH

Kiedy te rytmy są zaburzone u ludzi, obserwujemy zwiększone wskaźniki rak, cukrzyca, otyłość, choroby serca, depresja i wiele innych chorób. Nasza praca sugeruje, że narażenie na zanieczyszczenia środowiska może osłabiać funkcję ludzkich zegarów, co może prowadzić do zwiększonej liczby zachorowań.

Kontynuujemy naszą pracę, badając, w jaki sposób zakłócenia RozwielitkaZegar ma wpływ na jego udział w pionowej migracji diel. Pracujemy również nad określeniem przyczyn leżących u podstaw tych zmian, aby ustalić, czy i jak może się to zdarzyć w ludzkim mózgu. Wpływy, które znaleźliśmy w Rozwielitka pokazują, że nawet prosta substancja, taka jak sól, może mieć niezwykle złożony wpływ na organizmy żywe.

O autorze

Jennifer Marie Hurley, adiunkt nauk biologicznych, Rensselaer Polytechnic Institute

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązane książki:

at Rynek wewnętrzny i Amazon