Sout strate in Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Elke winter is plaaslike regerings in die Verenigde State van Amerika van toepassing miljoene ton pad sout Om strate in die sneeu en ys storms te hou. Afloop van smeltende sneeu dra padsout in strome en mere, en veroorsaak dat baie liggame van water buitengewoon voorkom hoë soutgehalte.

By Rensselaer Polytechnic Institute, my kollega Rick Relyea en sy lab is besig om te kwantifiseer hoe toenames in saliniteit ekosisteme affekteer. Nie verrassend nie, het hulle gevind dat hoë saliniteit het negatiewe impakte op baie spesies. Hulle het ook ontdek dat sommige spesies die vermoë het om hierdie toenames in saliniteit te hanteer.

Maar hierdie vermoë kom teen 'n prys. In 'n onlangse studie het Rick en ek ontleed hoe 'n gemeenskaplike dieretuine, Daphnia pulex, pas by toenemende vlakke van padsout. Ons het gevind dat hierdie blootstelling 'n belangrike biologiese ritme beïnvloed het: Die sirkadiese klok, wat mag regeer DaphniaVoeding en predasie vermy gedrag. Aangesien baie vis op die prooi gaan Daphnia, hierdie effek kan oor die hele ekosisteme rimpels hê. Ons werk stel ook vrae oor of sout, of ander omgewingsbesoedelingstowwe, soortgelyke invloede op die menslike sirkadiese klok kan hê.

Daaglikse biologiese ritmes en die sirkadiese klok

In die studie van hoe sout sout aquatiese ekosisteme affekteer, het die Relyea-laboratorium dit getoon Daphnia pulex kan pas by om matige blootstelling te hanteer in so min as twee en 'n half maande. Hierdie vlakke het gewissel van 15 milligramchloried ('n boublok sout) per liter water tot 'n hoë 1,000 milligram per liter - 'n vlak wat in hoogs besmette mere in Noord-Amerika voorkom.

Die vermoë van 'n organisme om aan te pas by iets in sy omgewing kan egter ook gepaard gaan met negatiewe afwykings. My laboratorium se samewerking met Rick's het begin met die identifisering van hierdie afhandelings in sout-aangepaste Daphnia.

In my laboratorium, ons bestudeer hoe ons sirkadiese ritmes laat ons toe om tyd te hou. Ons ondersoek hoe die molekules in ons selle saamwerk om soos 'n horlosie te merk. Hierdie sirkadiese ritmes laat 'n organisme toe om 24-uur ossillasies in sy omgewing te voorspel, soos veranderinge van lig (dag) tot donker (nag) en is noodsaaklik vir 'n organisme se fiksheid.

Rick en ek het vermoed dat aanpassing aan hoë saliniteit kan ontwrig Daphnia se sirkadiese ritmes gebaseer op onlangse bewyse wat toon dat ander omgewingsbesoedeling kan ontwrig sirkadiese gedrag. Een belangrike gedrag in Daphnia Wat kan beheer word deur die sirkadiaanse klok is die diel vertikale migrasie - Die grootste daaglikse biomassa-migrasie op Aarde, wat in oseane, baaie en mere voorkom. Plankton en vis migreer na dieper water gedurende die dag om roofdiere en sonskade te voorkom, en snags terug na die oppervlak om te voed.

Gegewe wat ons van sirkadiese funksie weet, is dit logies om aan te neem dat blootstelling aan besoedeling nie 'n organisme se sirkadiese ritmes sal beïnvloed nie. Terwyl sirkadiese horlosies omgewing inligting kan inkorporeer om die tyd van die dag te vertel, is dit swaar gebuffer teen die meeste omgewingseffekte.

Om die belangrikheid van hierdie buffering te verstaan, stel voor dat die tydsberekening van 'n organisme se daglengte op die omgewingstemperatuur gereageer het. Hitte versnel molekulêre reaksies, so op warm dae kan die organisme se 24-uurritme 20 uur word, en op koue dae kan dit 28 uur word. In wese sou die organisme 'n termometer hê, nie 'n horlosie nie.

Aanpassing van besoedeling beïnvloed sleutel sirkadiese gene

Om vas te stel of klokafwyking 'n afwenteling van besoedeling is, moes ons dit eers bepaal Daphnia word beheer deur 'n sirkadiese klok. Om dit te doen, het ons gene geïdentifiseer in Daphnia Dit is soortgelyk aan twee gene, bekend as tydperk en klok, in 'n organisme wat dien as 'n sirkadiese modelstelsel: Drosophila melanogaster, die gemeenskaplike vrugtevlieg.

Ons het die vlakke van tydperk en klok in Daphnia, hou die organismes in konstante duisternis om te verseker dat 'n ligstimulus hierdie vlakke nie beïnvloed het nie. Ons data het getoon dat die vlakke van tydperk en klok gevarieerd oor tyd met 'n 24-uur ritme - 'n duidelike aanduiding dat Daphnia het 'n funksionele sirkadiese klok.

Ons het ook dieselfde gene in bevolkings van Daphnia wat aangepas het tot verhoogde soutgehalte. Tot my verbasing het ons ontdek dat die daaglikse variasie van tydperk en klok vlakke het direk verswak met die vlak van soutgehalte die Daphnia is aangepas by. Met ander woorde, as Daphnia aangepas by hoër soutvlakke, het hulle minder variasie in die vlakke van tydperk en klok oor die dag. Dit het dit bewys DaphniaDie klok word inderdaad beïnvloed deur blootstelling aan besoedeling.

Daphnia en ander plankton is een van die mees oorheersende organismes op aarde en speel kritiese ekologiese rolle.

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

Ons verstaan ​​tans nie wat veroorsaak hierdie effek nie, maar die verhouding tussen saliniteitsvlakke en afname in die vlakke van tydperk en klok bied 'n leidraad. Ons weet dat blootstelling aan besoedeling veroorsaak dat Daphnia ondergaan epigenetiese regulasie - chemiese veranderinge wat die funksie van hul gene beïnvloed, sonder om hul DNA te verander. En epigenetiese veranderinge toon dikwels 'n geleidelike reaksie, word meer uitgespreek namate die oorsaaklike faktor toeneem. Daarom is dit waarskynlik dat hoë saliniteit chemiese veranderinge deur hierdie epigenetiese meganismes veroorsaak Daphnia om die funksie van sy sirkadiese klok te onderdruk.

Die breë uitwerking van sirkadiese klokontwrigtings

Ons weet dat omgewings toestande kan beïnvloed wat die horlosie in baie spesies reguleer. Byvoorbeeld, die suiker wat die swam verander, verander Neurospora crassa groei aan verander watter gedrag die horlosie reguleer. Maar na ons wete is hierdie studie die eerste om te wys dat gene van 'n organisme se kernklok direk beïnvloed kan word deur aan te pas by 'n omgewingsbesoedeling. Ons bevinding dui daarop dat net soos die ratte van 'n meganiese horlosie oor die tyd kan roes, die sirkadiese klok permanent beïnvloed kan word deur omgewingsblootstelling.

Hierdie navorsing het belangrike implikasies. Eerstens, as Daphnia se sirkadiese klok reguleer sy deelname aan die diel vertikale migrasie, dan kan die klok versteur dit beteken Daphnia Moenie in die waterkolom migreer nie. Daphnia is die belangrikste verbruikers van alge en 'n voedselbron vir baie vis, wat hul sirkadiese ritmes ontwrig kan die hele ekosisteme beïnvloed.

Tweedens, dui ons bevindings daarop dat omgewingsbesoedeling breër effekte op mense kan hê as wat voorheen verstaan ​​is. Die gene en prosesse in Daphnia se Klok is baie soortgelyk aan dié wat die klok in mense reguleer. Ons sirkadiese ritmes beheer gene wat sellulêre ossillasies veroorsaak wat selfunksie, verdeling en groei beïnvloed, tesame met fisiologiese parameters soos liggaamstemperatuur en immuunresponse.

Die menslike sirkadiese horlosie reguleer die siklusse van baie liggaamlike funksies. NIH

Wanneer hierdie ritmes in mense ontwrig word, sien ons verhoogde dosisse van kanker, diabetes, vetsug, hartsiektes, depressie en baie ander siektes. Ons werk dui daarop dat blootstelling aan omgewingsbesoedeling die funksie van menslike horlosies kan afbreek, wat kan lei tot verhoogde siektesyfers.

Ons gaan voort met ons werk deur te bestudeer hoe die ontwrigting van DaphniaDie klok beïnvloed sy deelname aan die diel vertikale migrasie. Ons is ook besig om die onderliggende oorsake van hierdie veranderinge te bepaal, om vas te stel of en hoe dit in die menslike brein kan gebeur. Die impakte wat ons gevind het Daphnia toon dat selfs 'n eenvoudige stof soos sout uiters komplekse effekte op lewende organismes kan hê.

Oor Die Skrywer

Jennifer Marie Hurley, Assistent Professor in Biologiese Wetenskappe, Rensselaer Polytechnic Institute

Hierdie artikel is oorspronklik gepubliseer op Die gesprek. Lees die oorspronklike artikel.

Verwante Boeke:

at InnerSelf Market en Amazon