Αλάτισμα δρόμων στο Μιλγουόκι. Μάικλ Περέκας, CC BY-SA 

Κάθε χειμώνα, ισχύουν τοπικές κυβερνήσεις στις Ηνωμένες Πολιτείες εκατομμύρια τόνους αλατιού δρόμου για να διατηρείτε τους δρόμους πλοήγηση κατά τη διάρκεια χιονοθύελλας και πάγου Η απορροή από το λιωμένο χιόνι μεταφέρει το αλάτι του δρόμου σε ρυάκια και λίμνες και προκαλεί εξαιρετικά πολλά νερά υψηλή αλατότητα.

Στο Rensselaer Polytechnic Institute, ο συνάδελφός μου Ρικ Ρέλια και το εργαστήριό του εργάζεται για να ποσοτικοποιήσει πώς οι αυξήσεις στην αλατότητα επηρεάζουν τα οικοσυστήματα. Δεν προκαλεί έκπληξη ότι έχουν διαπιστώσει ότι η υψηλή αλατότητα έχει αρνητικές επιπτώσεις σε πολλά είδη. Ανακάλυψαν επίσης ότι ορισμένα είδη έχουν την ικανότητα να αντιμετωπίσουν αυτές τις αυξήσεις της αλατότητας.

Αλλά αυτή η ικανότητα έρχεται σε τιμή. Σε μια πρόσφατη μελέτη, ο Rick και εγώ αναλύσαμε πώς ένα κοινό είδος ζωοπλαγκτού, Δάφνια pulex, προσαρμόζεται στα αυξανόμενα επίπεδα αλατιού του δρόμου. Διαπιστώσαμε ότι αυτή η έκθεση επηρέασε έναν σημαντικό βιολογικό ρυθμό: Το κιρκαδικό ρολόι, το οποίο μπορεί να κυβερνά ΔάφνιαΣυμπεριφορές αποφυγής σίτισης και αρπαγής. Δεδομένου ότι πολλά ψάρια κυνηγούν Δάφνια, αυτό το αποτέλεσμα θα μπορούσε να έχει κυματισμούς σε ολόκληρα τα οικοσυστήματα. Η δουλειά μας δημιουργεί επίσης ερωτήματα σχετικά με το αν το αλάτι ή άλλοι περιβαλλοντικοί ρύποι θα μπορούσαν να έχουν παρόμοιες επιπτώσεις στο ανθρώπινο κιρκαδικό ρολόι.

Ημερήσιοι βιολογικοί ρυθμοί και το κιρκαδικό ρολόι

Μελετώντας πώς το οδικό αλάτι επηρεάζει τα υδρόβια οικοσυστήματα, το εργαστήριο Relyea το έδειξε Δάφνια pulex κουτί προσαρμοστεί για να χειριστεί τις μέτριες εκθέσεις σε μόλις δυόμισι μήνες. Αυτά τα επίπεδα κυμαίνονταν από 15 χιλιοστόγραμμα χλωριούχου (ένα δομικό στοιχείο αλατιού) ανά λίτρο νερού έως ένα υψηλό των 1,000 χιλιοστόγραμμα ανά λίτρο - ένα επίπεδο που βρέθηκε σε πολύ μολυσμένες λίμνες στη Βόρεια Αμερική.

Ωστόσο, η ικανότητα ενός οργανισμού να προσαρμόζεται σε κάτι στο περιβάλλον του μπορεί επίσης να συνοδεύεται από αρνητικές αντισταθμίσεις. Η συνεργασία του εργαστηρίου μου με τον Rick's ξεκίνησε σε μια προσπάθεια εντοπισμού αυτών των συμβιβασμών με προσαρμοσμένο στο αλάτι Δάφνια.

In το εργαστήριό μου, μελετάμε πώς οι κιρκαδικοί μας ρυθμοί επιτρέψτε μας να παρακολουθούμε τον χρόνο. Εξετάζουμε πώς τα μόρια στα κύτταρα μας λειτουργούν μαζί για να χτυπήσουν σαν ρολόι. Αυτοί οι κιρκαδικοί ρυθμοί επιτρέπουν σε έναν οργανισμό να προβλέψει 24-ωρες ταλαντώσεις στο περιβάλλον του, όπως αλλαγές από το φως (κατά τη διάρκεια της ημέρας) στο σκοτάδι (τη νύχτα), και είναι απαραίτητο για την ικανότητα του οργανισμού.

Ο Rick και εγώ υποθέσαμε ότι η προσαρμογή στην υψηλή αλατότητα θα μπορούσε να διαταράξει Δαφνία κιρκαδικοί ρυθμοί βάσει πρόσφατων στοιχείων που δείχνουν ότι άλλοι περιβαλλοντικοί ρύποι μπορούν να διαταράξουν κιρκαδική συμπεριφορά. Μια σημαντική συμπεριφορά στο Δάφνια ότι μπορεί να ελέγχεται από το κιρκαδικό ρολόι είναι το κατακόρυφη μετεγκατάσταση - η μεγαλύτερη καθημερινή μετανάστευση βιομάζας στη Γη, η οποία συμβαίνει σε ωκεανούς, όρμους και λίμνες. Το πλαγκτόν και τα ψάρια μεταναστεύουν σε βαθύτερα νερά κατά τη διάρκεια της ημέρας για να αποφευχθούν οι αρπακτικοί και οι ηλιακές βλάβες και να επιστρέψουν στην επιφάνεια τη νύχτα για να ταΐσουν.

Δεδομένων όσων γνωρίζουμε για την κιρκαδική λειτουργία, θα ήταν λογικό να υποθέσουμε ότι η έκθεση στη ρύπανση δεν θα επηρέαζε τους κιρκαδικούς ρυθμούς ενός οργανισμού. Ενώ τα κιρκάδια ρολόγια μπορούν να ενσωματώσουν περιβαλλοντικές πληροφορίες για να πουν την ώρα της ημέρας, είναι σε μεγάλο βαθμό από τις περισσότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

Για να κατανοήσετε τη σημασία αυτής της προσωρινής αποθήκευσης, φανταστείτε ότι ο χρόνος της διάρκειας ενός οργανισμού ανταποκρίθηκε στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Η θερμότητα επιταχύνει τις μοριακές αντιδράσεις, οπότε τις ζεστές μέρες ο 24-ωρος ρυθμός του οργανισμού θα μπορούσε να γίνει 20 ώρες και τις κρύες ημέρες μπορεί να γίνει 28 ώρες. Στην ουσία, ο οργανισμός θα έχει ένα θερμόμετρο, όχι ένα ρολόι.

Η προσαρμογή στη ρύπανση επηρεάζει βασικά κιρκάδια γονίδια

Για να προσδιορίσουμε αν η διακοπή του ρολογιού είναι αντιστάθμιση της προσαρμογής των ρύπων, πρέπει πρώτα να το αποδείξουμε Δάφνια διέπεται από ένα κιρκαδικό ρολόι. Για να γίνει αυτό, εντοπίσαμε γονίδια στο Δάφνια που είναι παρόμοια με δύο γονίδια, γνωστά ως περίοδος και ρολόι, σε έναν οργανισμό που χρησιμεύει ως σύστημα κιρκαδικού μοντέλου: Drosophila melanogaster, η κοινή μύγα φρούτων.

Παρακολουθήσαμε τα επίπεδα του περίοδος και ρολόι in Δάφνια, διατηρώντας τους οργανισμούς σε συνεχές σκοτάδι για να διασφαλιστεί ότι ένα ελαφρύ ερέθισμα δεν επηρέασε αυτά τα επίπεδα. Τα δεδομένα μας έδειξαν ότι τα επίπεδα του περίοδος και ρολόι ποικίλλει με την πάροδο του χρόνου με ρυθμό 24 ωρών - μια σαφής ένδειξη ότι Δάφνια έχετε ένα λειτουργικό κιρκαδικό ρολόι.

Παρακολουθήσαμε επίσης τα ίδια γονίδια σε πληθυσμούς Δάφνια που είχε προσαρμοστεί στην αυξημένη αλατότητα. Προς μεγάλη μου έκπληξη, ανακαλύψαμε ότι η καθημερινή παραλλαγή του περίοδος και ρολόι επίπεδα επιδεινώθηκαν άμεσα με το επίπεδο αλατότητας το Δάφνια προσαρμόστηκαν σε. Με άλλα λόγια, όπως Δάφνια προσαρμοσμένα σε υψηλότερα επίπεδα αλατότητας, έδειξαν λιγότερη διακύμανση στα επίπεδα του περίοδος και ρολόι κατά τη διάρκεια της ημέρας. Αυτό απέδειξε ότι ΔάφνιαΤο ρολόι επηρεάζεται πράγματι από την έκθεση σε ρύπους.

Η Δάφνια και άλλος πλαγκτόν είναι από τους πιο άφθονους οργανισμούς στη Γη και παίζουν κρίσιμους οικολογικούς ρόλους.

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

Προς το παρόν δεν καταλαβαίνουμε τι προκαλεί αυτό το αποτέλεσμα, αλλά η σχέση μεταξύ των επιπέδων αλατότητας και της μειωμένης διακύμανσης στα επίπεδα του περίοδος και ρολόι προσφέρει μια ένδειξη. Γνωρίζουμε ότι η έκθεση σε ρύπους προκαλεί στην Daphnia να υποστεί επιγενετική ρύθμιση - χημικές αλλαγές που επηρεάζουν τη λειτουργία των γονιδίων τους, χωρίς να αλλοιώνουν το DNA τους. Και οι επιγενετικές αλλαγές συχνά δείχνουν μια σταδιακή απόκριση, που γίνεται πιο έντονη καθώς αυξάνεται ο αιτιώδης παράγοντας. Επομένως, είναι πιθανό ότι η υψηλή αλατότητα προκαλεί χημικές αλλαγές μέσω αυτών των επιγενετικών μηχανισμών στο Δάφνια για να καταστείλει τη λειτουργία του κιρκαδικού ρολογιού του.

Οι ευρείες επιπτώσεις των διαταραχών του κιρκαδικού ρολογιού

Γνωρίζουμε ότι οι περιβαλλοντικές συνθήκες μπορούν να επηρεάσουν αυτό που ρυθμίζει το ρολόι σε πολλά είδη. Για παράδειγμα, η αλλαγή της ζάχαρης από τον μύκητα Neurospora crassa μεγαλώνει αλλάζει ποιες συμπεριφορές ρυθμίζει το ρολόι. Από όσα γνωρίζουμε, αυτή η μελέτη είναι η πρώτη που δείχνει ότι τα γονίδια του πυρήνα ενός οργανισμού μπορούν να επηρεαστούν άμεσα από την προσαρμογή σε ένα περιβαλλοντικό ρύπο. Τα ευρήματά μας δείχνουν ότι όπως ακριβώς τα γρανάζια ενός μηχανικού ρολογιού μπορούν να σκουριάσουν με την πάροδο του χρόνου, το κιρκαδικό ρολόι μπορεί να επηρεαστεί μόνιμα από την έκθεση στο περιβάλλον.

Αυτή η έρευνα έχει σημαντικές επιπτώσεις. Πρώτον, εάν Δαφνία Το κιρκαδικό ρολόι ρυθμίζει τη συμμετοχή του στην κατακόρυφη μετανάστευση του καρέ, τότε η διακοπή του ρολογιού θα μπορούσε να σημαίνει αυτό Δάφνια μην μεταναστεύσετε στη στήλη νερού. Δάφνια είναι βασικοί καταναλωτές φυκών και πηγή τροφής για πολλά ψάρια, διαταράσσοντας έτσι τους κιρκαδικούς ρυθμούς τους θα μπορούσε να επηρεάσει ολόκληρα τα οικοσυστήματα.

Δεύτερον, τα ευρήματά μας δείχνουν ότι η περιβαλλοντική ρύπανση μπορεί να έχει ευρύτερες επιπτώσεις στον άνθρωπο από ό, τι είχε προηγουμένως κατανοηθεί. Τα γονίδια και οι διαδικασίες στο Δαφνία το ρολόι είναι πολύ παρόμοιο με εκείνο που ρυθμίζει το ρολόι στους ανθρώπους. Οι κιρκαδικοί ρυθμοί μας ελέγχουν τα γονίδια που δημιουργούν κυτταρικές ταλαντώσεις που επηρεάζουν τη λειτουργία των κυττάρων, τη διαίρεση και την ανάπτυξη, μαζί με φυσιολογικές παραμέτρους όπως η θερμοκρασία του σώματος και οι ανοσολογικές αποκρίσεις.

Το ανθρώπινο κιρκαδικό ρολόι ρυθμίζει τους κύκλους πολλών σωματικών λειτουργιών. ΝΙΗ

Όταν αυτοί οι ρυθμοί διαταράσσονται στους ανθρώπους, βλέπουμε αυξημένους ρυθμούς καρκίνος, διαβήτης, παχυσαρκία, καρδιακές παθήσεις, κατάθλιψη και πολλές άλλες ασθένειες. Η δουλειά μας δείχνει ότι η έκθεση σε περιβαλλοντικούς ρύπους μπορεί να καταστέλλει τη λειτουργία των ανθρώπινων ρολογιών, γεγονός που θα μπορούσε να οδηγήσει σε αυξημένα ποσοστά ασθενειών.

Συνεχίζουμε τη δουλειά μας μελετώντας πώς η διαταραχή του ΔάφνιαΤο ρολόι επηρεάζει τη συμμετοχή του στην κατακόρυφη μετεγκατάσταση. Εργαζόμαστε επίσης για να προσδιορίσουμε τις υποκείμενες αιτίες αυτών των αλλαγών, για να εξακριβώσουμε εάν και πώς αυτό θα μπορούσε να συμβεί στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Οι επιπτώσεις που έχουμε βρει Δάφνια δείχνουν ότι ακόμη και μια απλή ουσία όπως το αλάτι μπορεί να έχει εξαιρετικά περίπλοκες επιπτώσεις στους ζωντανούς οργανισμούς.

Σχετικά με το Συγγραφέας

Jennifer Marie Hurley, Επίκουρη Καθηγήτρια Βιολογικών Επιστημών, Πολυτεχνείο Rensselaer

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στις Η Συνομιλία. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Σχετικές Βιβλία:

at InnerSelf Market και Amazon