Соление улиц в Милуоки. Майкл Переккас, CC BY-SA 

Каждую зиму применяются местные органы власти в Соединенных Штатах Америки миллионы тонн дорожной соли держать улицы судоходными во время снежных и ледяных бурь. Запуск от тающего снега несет дорожную соль в ручьи и озера, а также приводит к тому, что многие водоемы высокая соленость.

В Политехническом институте Ренсселаера мой коллега Рик Рельеа и его лаборатория работает над количественной оценкой того, как увеличение солености влияет на экосистемы. Неудивительно, что они обнаружили, что высокая соленость негативное воздействие на многие виды, Они также обнаружили, что некоторые виды обладают способностью справляться с этими повышениями солености.

Но эта способность идет по цене. В недавнем исследовании Рик и я проанализировали, как общий вид зоопланктона, дафния Pulex, адаптируется к увеличению уровня дорожной соли. Мы обнаружили, что это воздействие повлияло на важный биологический ритм: циркадные часы, которые могут регулировать дафниякормления и предотвращения хищничества. Поскольку многие рыбы охотятся на дафния, этот эффект может иметь рябь во всех экосистемах. В нашей работе также возникают вопросы о том, могут ли соли или другие загрязнители окружающей среды оказывать аналогичное воздействие на циркадные часы человека.

Ежедневные биологические ритмы и циркадные часы

Изучая, как дорожная соль влияет на водные экосистемы, лаборатория Relyea показала, что дафния Pulex может адаптироваться для обработки умеренных экспозиций всего за два с половиной месяца. Эти уровни варьировались от 15 миллиграммов хлорида (строительного блока соли) на литр воды до максимума 1,000 миллиграммов на литр - уровень, обнаруженный в сильно загрязненных озерах Северной Америки.

Однако способность организма к адаптации к чему-то в своей среде также может сопровождаться отрицательными компромиссами. Сотрудничество моей лаборатории с Риком началось с того, чтобы выявить эти компромиссы в адаптированных к солям дафния.

In моя лаборатория, мы изучаем, как наши циркадные ритмы позволяют нам отслеживать время, Мы исследуем, как молекулы в наших клетках работают вместе, чтобы тикать как часы. Эти циркадные ритмы позволяют организму предвидеть колебания 24-часов в его среде, такие как изменения от света (дневного) до темного (ночного) времени и необходимое для жизнедеятельности организма.

Рик и я предположили, что адаптация к высокой солености может нарушить дафний суточные ритмы, основанные на последних данных, свидетельствующих о том, что другие загрязнители окружающей среды могут нарушить циркадное поведение, Одно важное поведение в дафния который может контролироваться циркадными часами это вертикальная миграция диэля - самая большая ежедневная миграция биомассы на Земле, которая встречается в океанах, заливах и озерах. Планктон и рыба мигрируют вниз к более глубокой воде в течение дня, чтобы избежать хищников и солнечных лучей, и вернуться к поверхности ночью, чтобы прокормить.

Учитывая то, что мы знаем о циркадной функции, было бы логично предположить, что воздействие загрязнения не повлияет на циркадные ритмы организма. В то время как циркадные часы могут включать экологическую информацию, чтобы рассказать время суток, они сильно забуферированы против большинства воздействий окружающей среды.

Чтобы понять важность этой буферизации, представьте, что время жизни организма в течение дня реагировало на температуру окружающей среды. Тепло ускоряет молекулярные реакции, поэтому в жаркие дни ритм 24-часа организма может стать временем 20, а в холодные дни он может стать 28 часами. По сути, у организма был бы термометр, а не часы.

Адаптация к загрязнению затрагивает ключевые циркадные гены

Чтобы определить, является ли нарушение часов компромиссом для адаптации загрязнителей, мы сначала должны были установить, что дафния регулируется циркадианными часами. Для этого мы идентифицировали гены в дафния которые похожи на два гена, известные как период и Часы, в организме, который служит циркадной модельной системой: Дрозофилы, обычная плодовая муха.

Мы отслеживали уровни период и Часы in дафния, сохраняя организмы в постоянной темноте, чтобы гарантировать, что световой стимул не влияет на эти уровни. Наши данные показали, что уровни период и Часы с течением времени с 24-часовым ритмом - четкое указание на то, что дафния имеют функциональные циркадные часы.

Мы также отслеживали одни и те же гены в популяциях дафния которые адаптировались к повышенной солености. К моему большому удивлению, мы обнаружили, что суточная вариация период и Часы уровни напрямую ухудшались уровень засоления дафния были адаптированы к, Другими словами, поскольку дафния адаптированных к более высоким уровням солености, они показали меньшее изменение уровней период и Часы в течение дня. Это продемонстрировало, что дафнияна часы действительно влияет воздействие загрязняющих веществ.

Дафния и другие планктоны являются одними из самых обильных организмов на Земле и играют критические экологические роли.

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

В настоящее время мы не понимаем, что вызывает этот эффект, но взаимосвязь между уровнями солености и уменьшением вариаций уровней период и Часы предлагает ключ. Мы знаем, что воздействие загрязняющих веществ заставляет Дафнию пройти эпигенетическая регуляция - химические изменения, которые влияют на функцию их генов, не изменяя их ДНК. И эпигенетические изменения часто демонстрируют постепенный ответ, становясь более выраженным по мере увеличения причинного фактора. Поэтому вполне вероятно, что высокая соленость индуцирует химические изменения через эти эпигенетические механизмы в дафния для подавления функции его циркадных часов.

Широкие эффекты циркадных тактовых сбоев

Мы знаем, что условия окружающей среды могут влиять на то, что часы регулируют у многих видов. Например, изменение сахара, что гриб Neurospora сгазза растет изменения, поведение которых регулирует часы, Но, насколько нам известно, это исследование является первым, чтобы показать, что гены основных часов организма могут быть непосредственно затронуты путем адаптации к загрязнению окружающей среды. Наш вывод показывает, что так же, как механизмы механических часов могут ржаветь с течением времени, циркадные часы могут постоянно подвергаться воздействию окружающей среды.

Это исследование имеет важные последствия. Во-первых, если дафний циркадные часы регулируют его участие в вертикальной миграции диэля, тогда нарушение часов может означать, что дафния не мигрировать в толще воды. дафния являются основными потребителями водорослей и источником пищи для многих рыб, поэтому нарушая их циркадные ритмы может повлиять на целые экосистемы.

Во-вторых, наши данные показывают, что загрязнение окружающей среды может оказывать более широкое воздействие на людей, чем было ранее понято. Гены и процессы в дафний часы очень похожи на часы, которые регулируют часы у людей. Наши циркадные ритмы контролируют гены, которые создают клеточные колебания, влияющие на клеточную функцию, деление и рост, а также физиологические параметры, такие как температура тела и иммунные ответы.

Циркадные часы человека регулируют циклы многих функций организма. NIH

Когда эти ритмы нарушаются у людей, мы видим, что рак, диабет, ожирение, болезни сердца, депрессия и многие другие заболевания, Наша работа показывает, что воздействие загрязнителей окружающей среды может удручать функцию человеческих часов, что может привести к увеличению частоты заболеваний.

Мы продолжаем нашу работу, изучая, как дафнияэто влияет на его участие в вертикальной миграции диэля. Мы также работаем над определением основополагающих причин этих изменений, чтобы выяснить, может ли и как это могло произойти в мозге человека. Воздействие, которое мы обнаружили в дафния показывают, что даже простые вещества, такие как соль, могут оказывать чрезвычайно сложное воздействие на живые организмы.

Об авторе

Дженнифер Мари Херли, доцент биологических наук, Rensselaer Polytechnic Institute

Эта статья изначально была опубликована в Беседа, Прочтите оригинал статьи.

Похожие книги:

at Внутренний рынок самовыражения и Amazon