Засолення вулиць у Мілуокі. Майкл Перекас, CC BY-SA 

Кожної зими подають заявки органи місцевого самоврядування по всій території США мільйони тонн дорожньої солі тримати вулиці судноплавними під час снігових та крижаних бур. Стік від танення снігу переносить дорожню сіль у потоки та озера і спричиняє надзвичайно багато водних об'єктів висока солоність.

Мій колега, в політехнічному інституті Ренсселера Рік Реліє і його лабораторія працюють над кількісною оцінкою того, як збільшення солоності впливає на екосистеми. Не дивно, що вони виявили високу солоність негативний вплив на багато видів. Вони також виявили, що деякі види мають здатність справлятися з цим збільшенням солоності.

Але ця здатність має свою ціну. У недавньому дослідженні ми з Ріком проаналізували, як поширений вид зоопланктону, Дафнія пулекс, пристосовується до зростаючих рівнів дорожньої солі. Ми виявили, що цей вплив впливав на важливий біологічний ритм: циркадні годинники, які можуть керувати Дафніяповедінка уникнення годування та хижацтва. Оскільки багато риб полюють Дафнія, цей ефект може спричинити хвилі в цілих екосистемах. Наша робота також порушує питання про те, чи може сіль або інші забруднювачі навколишнього середовища мати подібний вплив на циркадні годинники людини.

Добові біологічні ритми та циркадні годинники

Вивчаючи вплив дорожньої солі на водні екосистеми, лабораторія Relyea показала це Дафнія пулекс може пристосуватися для обробки помірних експозицій всього за два з половиною місяці. Ці рівні варіювали від 15 міліграмів хлориду (будівельної речовини солі) на літр води до високих 1,000 міліграмів на літр - рівень, який міститься у сильно забруднених озерах Північної Америки.

Однак здатність організму пристосовуватися до чогось у своєму середовищі також може супроводжуватися негативними компромісами. Співпраця моєї лабораторії з Ріком почалася з метою виявити ці компроміси в адаптованій до солі Дафнія.

In моя лабораторія, ми вивчаємо, як наші циркадні ритми дозволяють нам вести облік часу. Ми досліджуємо, як молекули в наших клітинах працюють разом, щоб тикати, як годинник. Ці добові ритми дозволяють організму передбачити цілодобові коливання у своєму середовищі, такі як зміни від світлового (денного) до темного (нічного), і є необхідне для фізичної форми організму.

Ми з Ріком припустили, що адаптація до високої солоності може порушити Дафнії циркадні ритми, засновані на нещодавніх доказах, що інші забруднення навколишнього середовища можуть порушити роботу циркадна поведінка. Одна важлива поведінка в Дафнія Що може контролюватися циркадним годинником є вертикальна міграція диеля - найбільша добова міграція біомаси на Землі, яка відбувається в океанах, затоках та озерах. Планктон і риба вдень мігрують у глибшу воду, щоб уникнути хижаків та пошкодження сонцем, а вночі повертаються до поверхні, щоб прогодуватися.

Враховуючи те, що ми знаємо про циркадну функцію, було б логічно припустити, що вплив забруднення не вплине на циркадні ритми організму. Хоча циркадні годинники можуть містити інформацію про навколишнє середовище, щоб вказати час доби, вони є сильно захищений від більшості впливів на навколишнє середовище.

Щоб зрозуміти важливість цього буферизації, уявіть, що час тривалості дня організму відповідав температурі навколишнього середовища. Спека прискорює молекулярні реакції, тому в спекотні дні цілодобовий ритм організму може становити 24 годин, а в холодні дні - 20 годин. По суті, організм мав би термометр, а не годинник.

Адаптація до забруднення впливає на ключові циркадні гени

Щоб визначити, чи порушення годинника є компромісом до адаптації забруднюючих речовин, нам спочатку довелося це встановити Дафнія управляється циркадним годинником. Для цього ми виявили гени в Дафнія які подібні до двох генів, відомих як period та годинник, в організмі, який виконує функції циркадної моделі: Drosophila melanogaster, звичайна плодова муха.

Ми відстежували рівні period та годинник in Дафнія, підтримуючи організми в постійній темряві, щоб світловий стимул не впливав на ці рівні. Наші дані показали, що рівні period та годинник змінювався з часом за допомогою цілодобового ритму - чітке свідчення того, що Дафнія мають функціональний циркадний годинник.

Ми також відстежували ті самі гени в популяціях Дафнія що пристосувався до підвищеної солоності. На мій подив, ми виявили, що щоденні зміни period та годинник рівні погіршилися безпосередньо з рівень солоності Дафнія були пристосовані до. Іншими словами, як Дафнія пристосовані до вищих рівнів солоності, вони продемонстрували менші коливання рівнів period та годинник протягом дня. Це продемонструвало це ДафніяНа годинник справді впливає вплив забруднюючих речовин.

Дафнія та інший планктон є одними з найпоширеніших організмів на Землі і відіграють важливу екологічну роль.

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

В даний час ми не розуміємо, що спричиняє цей ефект, але зв’язок між рівнями солоності та зменшенням коливань рівнів period та годинник пропонує підказку. Ми знаємо, що вплив забруднюючих речовин спричиняє дафнію епігенетична регуляція - хімічні зміни, які впливають на функцію їх генів, не змінюючи їх ДНК. А епігенетичні зміни часто демонструють поступову реакцію, стаючи більш вираженою у міру збільшення причинного фактора. Отже, ймовірно, що висока солоність викликає хімічні зміни через ці епігенетичні механізми в Дафнія придушити функцію свого циркадного годинника.

Широкі наслідки зривів циркадних годинників

Ми знаємо, що умови навколишнього середовища можуть впливати на регулювання годинником у багатьох видів. Наприклад, зміна цукру на гриб Невроспора красса росте далі змінює поведінку, яку регулює годинник. Але, наскільки нам відомо, це дослідження першим показало, що гени основних годинника організму можуть безпосередньо впливати, пристосовуючись до забруднювачів навколишнього середовища. Наш висновок свідчить про те, що подібно до того, як шестерні механічного годинника можуть з часом іржавіти, на циркадні годинники може постійно впливати вплив навколишнього середовища.

Це дослідження має важливе значення. По-перше, якщо Дафнії цілодобовий годинник регулює свою участь у вертикальній міграції діель, то порушення годинника може це означати Дафнія не мігрувати у товщі води. Дафнія є ключовими споживачами водоростей і джерелом їжі для багатьох риб, що порушує їх циркадні ритми може вплинути на цілі екосистеми.

По-друге, наші висновки вказують на те, що забруднення навколишнього середовища може мати ширший вплив на людину, ніж раніше розуміли. Гени та процеси в Дафнії годинник дуже схожі на ті, що регулюють годинник у людини. Наші добові ритми контролюють гени, які створюють клітинні коливання, що впливають на функцію, поділ і ріст клітин, а також на такі фізіологічні параметри, як температура тіла та імунна реакція.

Цілодобовий годинник людини регулює цикли багатьох функцій організму. NIH

Коли ці ритми порушуються у людини, ми спостерігаємо збільшення частоти рак, діабет, ожиріння, хвороби серця, депресія та багато інших захворювань. Наша робота припускає, що вплив забруднювачів навколишнього середовища може пригнічувати функцію годинників людини, що може призвести до збільшення рівня захворюваності.

Ми продовжуємо свою роботу, вивчаючи, як відбувається порушення ДафніяРосійський годинник впливає на його участь у вертикальній міграції діель. Ми також працюємо над визначенням основних причин цих змін, щоб встановити, чи і як це може статися в мозку людини. Вплив, який ми виявили в Дафнія показують, що навіть така проста речовина, як сіль, може мати надзвичайно складний вплив на живі організми.

про автора

Дженніфер Марі Харлі, доцент біологічних наук, Політехнічного інституту Rensselaer

Ця стаття була спочатку опублікована на Бесіда. Читати оригінал статті.

Схожі книги:

at InnerSelf Market і Amazon