Sărând străzile din Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

În fiecare iarnă, guvernele locale din Statele Unite aplică milioane de tone de sare rutieră pentru a menține străzile navigabile în timpul furtunilor de zăpadă și gheață. Scurgerile cauzate de topirea zăpezii transportă sarea rutieră în cursuri de apă și lacuri și determină o mulțime de corpuri de apă să aibă extraordinar salinitate mare.

La Institutul Politehnic Rensselaer, colegul meu Rick Relyea iar laboratorul său lucrează pentru a cuantifica modul în care creșterea salinității afectează ecosistemele. Nu este surprinzător că au descoperit că salinitatea ridicată are impacturi negative asupra multor specii. De asemenea, au descoperit că unele specii au capacitatea de a face față acestor creșteri ale salinității.

Dar această capacitate are un preț. Într-un studiu recent, Rick și cu mine am analizat modul în care o specie comună de zooplancton, Daphnia pulex, se adaptează la nivelurile crescânde de sare pentru drum. Am constatat că această expunere a afectat un ritm biologic important: ceasul circadian, care poate guverna Daphniacomportamentele de hrănire și evitare a prădării. Din moment ce mulți pești pradă Daphnia, acest efect ar putea avea valuri în întregul ecosistem. Munca noastră ridică, de asemenea, întrebări cu privire la faptul dacă sarea sau alți poluanți ai mediului ar putea avea un impact similar asupra ceasului circadian uman.

Ritmuri biologice zilnice și ceasul circadian

În studierea modului în care sarea rutieră afectează ecosistemele acvatice, laboratorul Relyea a arătat asta Daphnia pulex poate să adaptați-vă pentru a face față expunerilor moderate în doar două luni și jumătate. Aceste niveluri au variat de la 15 miligrame de clorură (un bloc de sare) pe litru de apă la un nivel ridicat de 1,000 miligrame pe litru - un nivel găsit în lacurile extrem de contaminate din America de Nord.

Cu toate acestea, capacitatea unui organism de a se adapta la ceva din mediul său poate fi însoțită și de compromisuri negative. Colaborarea laboratorului meu cu Rick a început într-un efort de a identifica aceste compromisuri adaptate la sare Daphnia.

In laboratorul meu, studiem modul în care ritmurile noastre circadiene permiteți-ne să urmărim timpul. Investigăm modul în care moleculele din celulele noastre funcționează împreună pentru a bifa ca un ceas. Aceste ritmuri circadiene permit unui organism să anticipeze oscilații de 24 de ore în mediul său, cum ar fi schimbările de la lumină (zi) la întuneric (noapte) și sunt esențiale pentru fitnessul unui organism.

Rick și cu mine am emis ipoteza că adaptarea la salinitate ridicată ar putea perturba A lui Daphnia ritmuri circadiene bazate pe dovezi recente care arată că alți contaminanți ai mediului pot perturba comportament circadian. Un comportament important în Daphnia acea poate fi controlat de ceasul circadian este diel migrație verticală - cea mai mare migrație zilnică de biomasă de pe Pământ, care are loc în oceane, golfuri și lacuri. Planctonul și peștii migrează în jos către apă mai adâncă în timpul zilei pentru a evita prădătorii și daunele provocate de soare și se întorc spre suprafață noaptea pentru a se hrăni.

Având în vedere ceea ce știm despre funcția circadiană, ar fi logic să presupunem că expunerea la poluare nu ar afecta ritmurile circadiene ale unui organism. În timp ce ceasurile circadiene pot încorpora informații de mediu pentru a spune ora din zi, ele sunt puternic tamponată împotriva majorității efectelor asupra mediului.

Pentru a înțelege importanța acestui tampon, imaginați-vă că timpul zilei unui organism a răspuns la temperatura mediului. Căldura accelerează reacțiile moleculare, astfel încât în ​​zilele fierbinți ritmul de 24 de ore al organismului ar putea deveni 20 de ore, iar în zilele reci ar putea deveni 28 de ore. În esență, organismul ar avea un termometru, nu un ceas.

Adaptarea la poluare afectează genele circadiene cheie

Pentru a determina dacă întreruperea ceasului este un compromis pentru adaptarea la poluanți, a trebuit mai întâi să stabilim acest lucru Daphnia este guvernat de un ceas circadian. Pentru a face acest lucru, am identificat gene din Daphnia care sunt similare cu două gene, cunoscute sub numele de perioadă și ceas, într-un organism care servește ca sistem de model circadian: Drosophila melanogaster, musca comună a fructelor.

Am urmărit nivelurile perioadă și ceas in Daphnia, păstrând organismele în întuneric constant pentru a se asigura că un stimul luminos nu a afectat aceste niveluri. Datele noastre au arătat că nivelurile de perioadă și ceas a variat în timp cu un ritm de 24 de ore - o indicație clară că Daphnia au un ceas circadian funcțional.

De asemenea, am urmărit aceleași gene în populațiile de Daphnia care se adaptase la salinitate crescută. Spre surprinderea mea, am descoperit că variația zilnică a perioadă și ceas nivelurile s-au deteriorat direct cu nivelul de salinitate Daphnia au fost adaptate la. Cu alte cuvinte, ca Daphnia adaptate la niveluri mai mari de salinitate, au prezentat o variație mai mică a nivelurilor de perioadă și ceas peste zi. Acest lucru a demonstrat că DaphniaCeasul este într-adevăr afectat de expunerea la poluanți.

Daphnia și alte plancton sunt printre cele mai abundente organisme de pe Pământ și joacă roluri ecologice critice.

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

În prezent nu înțelegem ce cauzează acest efect, dar relația dintre nivelurile de salinitate și variația scăzută a nivelurilor de perioadă și ceas oferă un indiciu. Știm că expunerea la poluanți face ca Daphnia să fie supusă reglarea epigenetică - modificări chimice care afectează funcția genelor lor, fără a le modifica ADN-ul. Și modificările epigenetice arată adesea un răspuns gradual, devenind mai pronunțate pe măsură ce factorul cauzal crește. Prin urmare, este probabil ca o salinitate ridicată să inducă modificări chimice prin intermediul acestor mecanisme epigenetice în Daphnia pentru a suprima funcția ceasului său circadian.

Efectele generale ale întreruperilor ceasului circadian

Știm că condițiile de mediu pot afecta ceea ce reglementează ceasul la multe specii. De exemplu, schimbarea zahărului pe care ciuperca Neurospora crassa crește mai departe modifică ce comportamente reglează ceasul. Dar, din câte știm, acest studiu este primul care arată că genele ceasului central al unui organism pot fi afectate direct prin adaptarea la un contaminant de mediu. Descoperirea noastră sugerează că, la fel cum uneltele unui ceas mecanic pot rugini în timp, ceasul circadian poate fi afectat permanent de expunerea la mediu.

Această cercetare are implicații importante. În primul rând, dacă A lui Daphnia ceasul circadian își reglează participarea la migrația verticală diel, apoi întreruperea ceasului ar putea însemna asta Daphnia nu migrați în coloana de apă. Daphnia sunt consumatori cheie de alge și o sursă de hrană pentru mulți pești, perturbând astfel ritmurile circadiene ar putea afecta ecosisteme întregi.

În al doilea rând, constatările noastre indică faptul că poluarea mediului poate avea efecte mai largi asupra oamenilor decât s-a înțeles anterior. Genele și procesele din A lui Daphnia ceasul sunt foarte asemănătoare cu cele care reglează ceasul la oameni. Ritmurile noastre circadiene controlează genele care creează oscilații celulare care afectează funcția, diviziunea și creșterea celulelor, împreună cu parametri fiziologici precum temperatura corpului și răspunsurile imune.

Ceasul circadian uman reglează ciclurile multor funcții corporale. NIH

Când aceste ritmuri sunt perturbate la oameni, vedem rate crescute de cancer, diabet, obezitate, boli de inimă, depresie și multe alte boli. Munca noastră sugerează că expunerea la poluanții din mediu poate deprima funcția ceasurilor umane, ceea ce ar putea duce la rate crescute de boli.

Ne continuăm munca studiind modul de întrerupere a Daphniaceasul afectează participarea sa la migrația verticală diel. De asemenea, lucrăm pentru a determina cauzele care stau la baza acestor modificări, pentru a stabili dacă și cum s-ar putea întâmpla acest lucru în creierul uman. Impacturile pe care le-am găsit Daphnia arată că chiar și o substanță simplă precum sarea poate avea efecte extrem de complexe asupra organismelor vii.

Despre autor

Jennifer Marie Hurley, profesor asistent de științe biologice, Institutul Politehnic Rensselaer

Acest articol a fost publicat inițial Conversaţie. Citeste Articol original.

Cărți asemănătoare:

at InnerSelf Market și Amazon