Suolaus kaduilla Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Joka talvi on voimassa Yhdysvalloissa miljoonia tonnia tien suolaa pitää kadut navigoitavissa lumen ja jään myrskyjen aikana. Sulasta lumesta johtuva valuma kuljettaa tien suolaa puroihin ja järviin ja aiheuttaa monia vesistöjä poikkeuksellisen hyvin korkea suolapitoisuus.

Kollegani Rensselaerin ammattikorkeakoulussa Rick Relyea ja hänen laboratorionsa pyrkivät määrittelemään kuinka suolapitoisuus kasvaa ekosysteemeihin. Ei ole yllättävää, että he ovat huomanneet, että suolapitoisuus on korkea kielteisiä vaikutuksia moniin lajeihin. He ovat myös havainneet, että joillakin lajeilla on kyky selviytyä näiden suolapitoisuuksien kasvusta.

Mutta tämä kyky tulee hintaan. Äskettäisessä tutkimuksessa Rick ja minä analysoimme, miten yleinen zooplanktonlaji, daphnia pulex, sopeutuu kasvavaan tien suolan tasoon. Huomasimme, että tämä altistus vaikutti tärkeään biologiseen rytmiin: vuorokausikello, joka voi hallita daphnia's ruokinta ja saalista välttäminen käyttäytymistä. Koska monet kalat saalisivat daphnia, tämä vaikutus voisi olla aallotuksia koko ekosysteemissä. Työmme herättää myös kysymyksiä siitä, voisiko suolalla tai muilla ympäristöä pilaavilla aineilla olla samanlainen vaikutus ihmisen vuorokauden kelloon.

Päivittäiset biologiset rytmit ja vuorokausikello

Tutkiessaan, miten tien suola vaikuttaa vesiekosysteemeihin, Relyea-laboratorio osoitti sen daphnia pulex voida sopeutua kohtuullisiin altistuksiin niin vähän kuin kaksi ja puoli kuukautta. Nämä tasot vaihtelivat 15-milligrammoista kloridia (suolan rakennuslohko) litraa kohti korkeaan 1,000-milligrammaan litrassa - taso, joka löytyi Pohjois-Amerikan erittäin saastuneista järvistä.

Organismin kyky sopeutua johonkin ympäristöönsä voi kuitenkin liittyä negatiivisiin kompromisseihin. Minun labin yhteistyö Rickin kanssa alkoi pyrkiä tunnistamaan nämä kompromissit suolaisella tavalla daphnia.

In minun lab, tutkimme, miten vuorokausirytmiämme anna meidän seurata aikaa. Tutkimme, miten solujen molekyylit toimivat yhdessä kellon tavoin. Nämä vuorokausirytmit sallivat organismin odottaa 24-tunnin värähtelyjä ympäristössään, kuten muutoksista valolta (päivällä) pimeään (yöllä) ja ovat elintärkeä organismin kuntoon.

Rick ja minä oletimme, että sopeutumiseen korkeaan suolapitoisuuteen voi häiritä daphnia n vuorokausirytmit, jotka perustuvat tuoreisiin todisteisiin siitä, että muut ympäristön epäpuhtaudet voivat häiritä vuorokauden käyttäytymistä. Yksi tärkeä käyttäytyminen daphnia että voidaan valvoa vuorokausikello on diel vertikaalinen muuttoliike - suurin päivittäinen biomassan muuttuminen maapallolla, joka esiintyy valtamerissä, lahdissa ja järvissä. Plankton ja kalat muuttuvat alas syvempään veteen päivän aikana, jotta vältetään saalistajat ja auringon aiheuttamat vauriot ja palattaisiin takaisin kohti yötä ruokkimaan.

Ottaen huomioon, mitä tiedämme vuorokausitoiminnasta, olisi loogista olettaa, että altistuminen pilaantumiselle ei vaikuta organismin vuorokausirytmeihin. Vaikka vuorokausikellot voivat sisältää ympäristötietoja kertomaan kellonaikaan, ne ovat voimakkaasti puskuroitu useimpiin ympäristövaikutuksiin.

Voit ymmärtää tämän puskuroinnin tärkeyden kuvitella, että organismin päivän pituuden ajoitus reagoi ympäristön lämpötilaan. Lämpö nopeuttaa molekyylireaktioita, joten kuumina päivinä organismin 24-tunnin rytmi voi muuttua 20-tunteiksi, ja kylminä päivinä se voi tulla 28-tunneiksi. Pohjimmiltaan organismilla olisi lämpömittari, ei kello.

Sopeutuminen pilaantumiseen vaikuttaa keskeisiin vuorokausigeeneihin

Jotta voisimme selvittää, onko kellon häiriö kompromissi epäpuhtauksien sopeutumiseen, meidän oli ensin todettava, että kello on daphnia säätelee vuorokausikello. Tätä varten tunnistimme geenit daphnia jotka ovat samanlaisia ​​kuin kaksi geeniä, jotka tunnetaan nimellä aika ja kello, organismissa, joka toimii vuorokausimallijärjestelmänä: Drosophila melanogaster, tavallinen hedelmä lentää.

Me seurasimme tasot aika ja kello in daphniapitämällä organismeja jatkuvasti pimeässä sen varmistamiseksi, että valon ärsyke ei vaikuttanut näihin tasoihin. Tiedot osoittivat, että aika ja kello vaihteli ajan mittaan 24-tunnin rytmillä - selvä osoitus siitä daphnia on toiminnallinen vuorokausikello.

Seurasimme myös samat geenit daphnia jotka olivat sopeutuneet lisääntyneeseen suolapitoisuuteen. Paljon yllätyksekseni huomasimme, että päivittäinen vaihtelu aika ja kello tasot heikkenivät suoraan suolapitoisuuden taso daphnia mukautettiin. Toisin sanoen, kuten daphnia jotka olivat sopeutuneet korkeampiin suolapitoisuuksiin, ne osoittivat vähemmän vaihtelua aika ja kello päivän aikana. Tämä osoitti tämän daphniaepäpuhtauksien altistuminen todellakin vaikuttaa kelloon.

Daphniat ja muut planktonit ovat maan suurimpia organismeja ja niillä on kriittisiä ekologisia rooleja.

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

Tällä hetkellä emme ymmärrä, mikä aiheuttaa tämän vaikutuksen, mutta suolapitoisuuden ja vähentyneen vaihtelun välinen suhde aika ja kello tarjoaa vihjeitä. Tiedämme, että saastuminen altistuu Daphnialle epigeneettinen säätely - kemialliset muutokset, jotka vaikuttavat niiden geenien toimintaan muuttamatta niiden DNA: ta. Ja epigeneettisillä muutoksilla on usein asteittainen vaste, joka muuttuu selvemmäksi, kun syy-tekijä kasvaa. Siksi on todennäköistä, että korkea suolapitoisuus aiheuttaa kemiallisia muutoksia näiden epigeneettisten mekanismien kautta daphnia tukahduttaa vuorokauden kellon toiminta.

Sirkadiaanikellojen häiriöiden laaja vaikutus

Tiedämme, että ympäristöolosuhteet voivat vaikuttaa siihen, mitä kello säätelee monissa lajeissa. Esimerkiksi sieni-sokerin muuttaminen Neurospora crassa kasvaa muutokset, joita kello säätelee. Tietojemme mukaan tämä tutkimus on ensimmäinen, joka osoittaa, että organismin ytimen kellon geenejä voidaan vaikuttaa suoraan sopeutumalla ympäristön epäpuhtaukseen. Tuloksemme viittaa siihen, että aivan kuten mekaanisen kellon hammaspyörät voivat ruostua ajan myötä, vuorokausikello voidaan pysyvästi vaikuttaa ympäristöaltistukseen.

Tällä tutkimuksella on merkittäviä vaikutuksia. Ensinnäkin, jos daphnia n vuorokausikello säätelee sen osallistumista vertikaaliseen diel-siirtymiseen, jolloin kellon katkaiseminen voi tarkoittaa sitä daphnia eivät siirry vesipatsaaseen. daphnia ovat tärkeimpiä levien ja ruokalähteen kuluttajia monille kaloille, mikä häiritsee niiden vuorokausirytmiä voivat vaikuttaa koko ekosysteemiin.

Toiseksi löydöksemme osoittavat, että ympäristön pilaantumisella voi olla laajempia vaikutuksia ihmisiin kuin aikaisemmin ymmärretty. Geenit ja prosessit daphnia n kello ovat hyvin samankaltaisia ​​kuin ne, jotka säätelevät ihmisen kelloa. Meidän vuorokausirytmiimme ohjaavat geenejä, jotka luovat solujen värähtelyitä, jotka vaikuttavat solujen toimintaan, jakautumiseen ja kasvuun, sekä fysiologisia parametreja, kuten kehon lämpötilaa ja immuunivasteita.

Ihmisen vuorokausikello säätää monien ruumiintoimintojen syklejä. NIH

Kun nämä rytmit häiritään ihmisillä, näemme lisääntyneitä nopeuksia syöpä, diabetes, liikalihavuus, sydänsairaudet, masennus ja monet muut sairaudet. Työmme viittaa siihen, että altistuminen ympäristölle aiheutuville epäpuhtauksille voi heikentää ihmisten kellojen toimintaa, mikä voi johtaa sairauksien lisääntymiseen.

Jatkamme työtämme tutkimalla, miten daphniaKello vaikuttaa sen osallistumiseen vertikaaliseen siirtymiseen. Pyrimme myös selvittämään näiden muutosten taustalla olevat syyt ja selvittämään, voisiko tämä tapahtua ihmisen aivoissa. Vaikutukset, joita olemme löytäneet daphnia osoittavat, että jopa yksinkertaisella aineella, kuten suolalla, voi olla erittäin monimutkaisia ​​vaikutuksia eläviin organismeihin.

Author

Jennifer Marie Hurley, biologisten tieteiden apulaisprofessori, Rensselaer-ammattikorkeakoulu

Tämä artikkeli julkaistiin alunperin Conversation. Lue alkuperäinen artikkeli.

Liittyvät kirjat:

at InnerSelf Market ja Amazon