Sós utcák Milwaukee-ban. Michael Pereckas, CC BY-SA
Minden télen az Egyesült Államok helyi önkormányzatai jelentkeznek millió tonna közúti só hogy az utcák hajózhatóak maradjanak hó- és jégviharok idején. Az olvadó hó elfolyása a közúti sót patakokba és tavakba juttatja, és sok víztömeget rendkívüli módon okoz magas sótartalom.
A Rensselaer Politechnikai Intézetben kollégám Rick Relyea laboratóriuma azon dolgozik, hogy számszerűsítse, hogy a sótartalom növekedése hogyan hat az ökoszisztémákra. Nem meglepő módon azt tapasztalták, hogy a magas sótartalom igen negatív hatások sok fajra. Azt is felfedezték, hogy egyes fajok képesek megbirkózni a sótartalom emelésével.
De ennek a képességnek ára van. Egy nemrégiben készült tanulmányban Rick és én elemeztük, hogy a zooplankton Daphnia pulex, alkalmazkodik a közúti só növekvő szintjéhez. Megállapítottuk, hogy ez az expozíció egy fontos biológiai ritmust érintett: a cirkadián órát, amely irányíthatja Daphniatáplálkozási és ragadozáselkerülő viselkedése. Mivel sok hal ragadozik Daphnia, ennek a hatásnak az egész ökoszisztémában hullámzása lehet. Munkánk kérdéseket vet fel arra vonatkozóan is, hogy a só vagy más környezeti szennyező anyagok hasonló hatással lehetnek-e az emberi cirkadián órára.
Napi biológiai ritmusok és a cirkadián óra
A Relyea laboratórium azt vizsgálta, hogy az úti só hogyan befolyásolja a vízi ökoszisztémákat Daphnia pulex tud alkalmazkodjon a mérsékelt expozíció kezeléséhez alig két és fél hónap alatt. Ezek a szintek 15 milligramm klorid (a só építőköve) / liter vízszinttől az 1,000 milligramm / liter csúcsig terjedtek - ez a szint Észak-Amerika erősen szennyezett tavaiban található.
Azonban egy szervezet képes alkalmazkodni valamihez a környezetében negatív kompromisszumokkal is járhat. Laboratóriumom és Rickék együttműködése azzal a törekvéssel kezdődött, hogy azonosítsák ezeket a kompromisszumokat sóhoz alkalmazkodva Daphnia.
In laboratóriumom, tanulmányozzuk a cirkadián ritmusunkat lehetővé tesszük számunkra az idő követését. Megvizsgáljuk, hogy a sejtjeinkben lévő molekulák hogyan működnek együtt, hogy ketyegjenek, mint egy óra. Ezek a cirkadián ritmusok lehetővé teszik az organizmus számára, hogy 24 órás oszcillációkat számoljon a környezetében, például a világos (nappali) és a sötét (éjszakai) változásokat, és nélkülözhetetlen a szervezet fitneszéhez.
Rick és én feltételeztük, hogy a magas sótartalomhoz való alkalmazkodás megzavarhatja Daphnia cirkadián ritmusok a legújabb bizonyítékok alapján, amelyek azt mutatják, hogy más környezeti szennyezők megzavarhatják cirkadián viselkedés. Az egyik fontos viselkedés Daphnia hogy a cirkadián óra vezérelheti a diel vertikális migráció - a Föld legnagyobb napi biomassza-vándorlása, amely az óceánokban, az öblökben és a tavakban fordul elő. A plankton és a halak napközben a mélyebb vízbe vándorolnak, hogy elkerüljék a ragadozókat és a napkárosodást, éjjel pedig a felszín felé táplálkoznak.
Tekintettel arra, amit tudunk a cirkadián funkcióról, logikus lenne feltételezni, hogy a szennyezésnek való kitettség nem befolyásolja a szervezet cirkadián ritmusát. Míg a cirkadián órák környezeti információkat tartalmazhatnak a napszak megadásához, mégis erősen pufferolva a legtöbb környezeti hatás ellen.
Annak érdekében, hogy megértsük ennek a pufferelésnek a fontosságát, képzeljük el, hogy egy szervezet napjának időzítése reagál a környezeti hőmérsékletre. A hő felgyorsítja a molekuláris reakciókat, így forró napokon a szervezet 24 órás ritmusa 20 órává válhat, hideg napokon pedig 28 órává. Lényegében a szervezetnek hőmérője lenne, nem órája.
A szennyezéshez való alkalmazkodás befolyásolja a legfontosabb cirkadián géneket
Annak megállapításához, hogy az óra megszakítása kompromisszumot jelent-e a szennyező anyagok alkalmazkodása szempontjából, először meg kellett állapítanunk Daphnia cirkadián óra irányítja. Ehhez azonosítottuk a géneket Daphnia amelyek hasonlóak két génhez, az úgynevezett időszak és a óra, egy szervezetben, amely cirkadián modellrendszerként szolgál: Drosophila melanogaster, a közönséges gyümölcslégy.
Követtük a szinteket időszak és a óra in Daphnia, állandóan sötétben tartva az organizmusokat annak biztosítására, hogy egy fényinger ne befolyásolja ezeket a szinteket. Adataink azt mutatták, hogy a időszak és a óra 24 órás ritmussal változott az idő múlásával - ez egyértelműen jelzi, hogy Daphnia működőképes cirkadián órával rendelkezik.
Ugyanezeket a géneket is követtük a populációkban Daphnia amely alkalmazkodott a megnövekedett sótartalomhoz. Nagy meglepetésemre felfedeztük, hogy a időszak és a óra szintje közvetlenül romlott a sótartalom szintje a Daphnia alkalmazkodtak. Más szavakkal, mint Daphnia alkalmazkodva a magasabb sótartalom szintjéhez, kisebb eltéréseket mutattak a időszak és a óra a nap folyamán. Ez azt bizonyította Daphniaóráját valóban befolyásolja a szennyező expozíció.
A Daphnia és más plankton a Föld legelterjedtebb organizmusai közé tartozik, és kritikus ökológiai szerepet töltenek be.
{youtube}https://youtu.be/ziGtmjiUlJQ{/youtube}
Jelenleg nem értjük, hogy mi okozza ezt a hatást, de a sótartalom szintje és a szintek csökkent variációjának összefüggése időszak és a óra nyomot kínál. Tudjuk, hogy a szennyező anyagoknak való kitettség miatt a Daphnia átesik epigenetikus szabályozás - kémiai változások, amelyek befolyásolják génjeik működését, anélkül, hogy megváltoztatnák a DNS-jüket. Az epigenetikai változások pedig gyakran fokozatos választ mutatnak, egyre hangsúlyosabbá válnak, amikor az ok-okozati tényező növekszik. Ezért valószínű, hogy a magas sótartalom kémiai változásokat indukál ezeken az epigenetikai mechanizmusokon keresztül Daphnia hogy elnyomja a cirkadián órájának működését.
A cirkadián óra megszakításainak széles hatásai
Tudjuk, hogy a környezeti viszonyok sok fajban befolyásolhatják azt, amit az óra szabályoz. Például megváltoztatja a cukor, hogy a gomba Neurospora crassa tovább nő megváltoztatja az óra által szabályozott viselkedést. De tudomásunk szerint ez a tanulmány az első, amely megmutatja, hogy az organizmus magórájának génjei közvetlenül befolyásolhatók, ha alkalmazkodnak egy környezeti szennyeződéshez. Megállapításunk azt sugallja, hogy ahogy a mechanikus óra sebességváltója idővel rozsdásodni tud, a környezeti kitettség tartósan befolyásolhatja a cirkadián órát.
Ennek a kutatásnak fontos következményei vannak. Először is, ha Daphnia a cirkadián óra szabályozza részvételét a diel vertikális migrációjában, akkor az óra megzavarása azt jelentheti Daphnia ne vándoroljon a vízoszlopban. Daphnia kulcsfontosságú fogyasztói az algáknak és sok hal táplálékforrásai, ezért megzavarják a cirkadián ritmusukat hatással lehet az egész ökoszisztémákra.
Másodszor, eredményeink azt mutatják, hogy a környezeti szennyezésnek szélesebb hatása lehet az emberre, mint azt korábban megértették. A gének és folyamatok Daphnia óra nagyon hasonlít azokhoz, amelyek az ember óráját szabályozzák. Cirkadián ritmusaink olyan géneket vezérelnek, amelyek olyan sejtrezgéseket hoznak létre, amelyek befolyásolják a sejtek működését, osztódását és növekedését, olyan fiziológiai paraméterekkel együtt, mint a testhőmérséklet és az immunválasz.
Az emberi cirkadián óra számos testi funkció ciklusát szabályozza. NIH
Amikor ezek a ritmusok megszakadnak az embereknél, megnövekedett arányt tapasztalunk rák, cukorbetegség, elhízás, szívbetegségek, depresszió és sok más betegség. Munkánk azt sugallja, hogy a környezeti szennyező anyagoknak való kitettség csökkentheti az emberi órák működését, ami megnövekedett betegségszámhoz vezethet.
Folytatjuk munkánkat annak tanulmányozásával, hogy a Daphniaórája befolyásolja a diel vertikális migrációban való részvételét. Ezen a változtatáson alapuló okok meghatározásán is dolgozunk, annak megállapításán, hogy ez hogyan történhet-e az emberi agyban. A hatások, amelyekben megtaláltuk Daphnia azt mutatják, hogy még egy olyan egyszerű anyag is, mint a só, rendkívül összetett hatással lehet az élő szervezetekre.
A szerzőről
Jennifer Marie Hurley, a biológiai tudományok adjunktusa, Rensselaer Polytechnic Institute
Ezt a cikket eredetileg közzétették A beszélgetés. Olvassa el a eredeti cikk.
Kapcsolódó könyvek:
at InnerSelf Market és Amazon
