Mga salat na kalye sa Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Tuwing taglamig, ang mga lokal na pamahalaan sa buong Estados Unidos ay nalalapat milyon-milyong tonelada ng asin sa kalsada upang panatilihing mag-navigate ang mga kalye sa panahon ng bagyo ng niyebe at yelo. Ang runoff mula sa natutunaw na niyebe ay nagdadala ng kalsada sa kalsada sa mga sapa at lawa, at nagiging sanhi ng maraming katawan ng tubig na labis-labis mataas na kaasinan.

Sa Rensselaer Polytechnic Institute, ang aking kasamahan Rick Relyea at ang kanyang lab ay nagtatrabaho upang tumyak ng dami kung paano ang pagtaas sa kaasinan ay nakakaapekto sa ecosystem. Hindi nakakagulat, natuklasan nila na may mataas na kaasinan negatibong epekto sa maraming species. Natuklasan din nila na ang ilang mga species ay may kakayahang makayanan ang mga pagtaas sa kaasinan.

Ngunit ang kakayahan na ito ay may isang presyo. Sa isang kamakailan-lamang na pag-aaral, pinag-aralan namin ni Rick kung paano isang karaniwang uri ng zooplankton, Daphnia pulkala, umangkop sa pagtaas ng antas ng asin sa kalsada. Nalaman namin na ang exposure na ito ay apektado ng isang mahalagang biological ritmo: Ang circadian orasan, na maaaring mamamahala Daphnia's pagpapakain at predation pag-iwas sa pag-uugali. Dahil maraming mga isda biktima sa Daphnia, ang epekto na ito ay maaaring magkaroon ng ripples sa buong ekosistema. Ang aming gawain ay nagtataas din ng mga katanungan tungkol sa kung ang asin, o iba pang mga pollutant sa kapaligiran, ay magkakaroon ng katulad na mga epekto sa orasan ng sirkadian ng tao.

Araw-araw na biological rhythms at ang circadian clock

Sa pag-aaral kung paano nakakaapekto ang asin sa kalawakan sa mga aquatic ecosystem, ipinakita ng Relyea lab na iyon Daphnia pulkala maaari iakma upang mahawakan ang katamtaman na mga exposures sa kasing dami ng dalawa at kalahating buwan. Ang mga antas na ito ay mula sa 15 milligrams ng chloride (isang bloke ng asin sa gusali) bawat litro ng tubig sa isang taas ng 1,000 milligrams kada litro - isang antas na natagpuan sa mataas na kontaminadong lawa sa Hilagang Amerika.

Gayunpaman, ang kakayahan ng isang organismo na umangkop sa isang bagay sa kapaligiran nito ay maaari ring samahan ng mga negatibong kalakalan. Ang pakikipagtulungan ng aking lab sa Rick ay nagsimula sa pagsisikap na kilalanin ang mga trade-off na ito sa asin na inangkop Daphnia.

In aking lab, pag-aaral namin kung paano ang aming circadian rhythms pahintulutan kaming subaybayan ang oras. Sinisiyasat namin kung paano gumagana ang mga molecule sa aming mga selula upang mag-tick tulad ng isang orasan. Ang mga circadian rhythms ay nagbibigay-daan sa isang organismo upang mahulaan 24-oras na mga oscillations sa kapaligiran nito, tulad ng mga pagbabago mula sa liwanag (araw) sa madilim (gabi), at ang mga mahalaga sa fitness ng isang organismo.

Si Rick at ako ay nagpapahiwatig na ang pagbagay sa mataas na kaasinan ay maaaring makagambala Daphnia's circadian rhythms batay sa kamakailang katibayan na nagpapakita na ang ibang mga contaminants sa kapaligiran ay maaaring makagambala circadian behavior. Isang mahalagang pag-uugali sa Daphnia na maaaring kontrolado ng circadian clock ay ang diel vertical migration - ang pinakamalaking araw-araw na biomass migration sa Earth, na nangyayari sa mga karagatan, baybayin at lawa. Ang plankton at isda ay lumipat pababa sa mas malalim na tubig sa araw upang maiwasan ang mga predator at sun damage, at i-back up sa ibabaw sa gabi sa feed.

Given kung ano ang alam natin tungkol sa circadian function, magiging lohikal na ipalagay na ang pagkakalantad sa polusyon ay hindi makakaapekto sa isang organismo's circadian rhythms. Habang ang circadian clocks ay maaaring magsama ng impormasyon sa kapaligiran upang sabihin sa oras ng araw, sila ay mabigat na buffered laban sa karamihan sa mga epekto sa kapaligiran.

Upang maunawaan ang kahalagahan ng buffering na ito, isipin na ang oras ng haba ng araw ng isang organismo ay tumutugon sa temperatura ng kapaligiran. Pinapabilis ng init ang mga reaksyon ng molecular, kaya sa mainit na araw ang ritmo ng 24-oras ng organismo ay maaaring maging 20 na oras, at sa malamig na mga araw ay maaaring maging 28 na oras. Sa kakanyahan, ang organismo ay magkakaroon ng thermometer, hindi isang orasan.

Ang adaptation sa polusyon ay nakakaapekto sa mga pangunahing sirkadian genes

Upang matukoy kung ang pagkagambala sa orasan ay isang pagkilos sa pagbagay ng pollutant, kailangan muna naming itatag iyon Daphnia ay pinamamahalaan ng isang circadian clock. Upang gawin ito, kinilala namin ang mga gene Daphnia na katulad ng dalawang genes, na kilala bilang panahon at orasan, sa isang organismo na nagsisilbing isang sistema ng circadian modelo: Drosophila melanogaster, ang karaniwang fly ng prutas.

Nasubaybayan namin ang mga antas ng panahon at orasan in Daphnia, pinapanatili ang mga organismo sa pare-pareho ang kadiliman upang matiyak na ang isang liwanag pampasigla ay hindi nakakaapekto sa mga antas na ito. Nagpakita ang aming data na ang mga antas ng panahon at orasan iba-iba sa paglipas ng panahon sa isang 24-oras na ritmo - isang malinaw na indikasyon na Daphnia magkaroon ng functional na circadian clock.

Sinusubaybayan din namin ang parehong mga gene sa mga populasyon ng Daphnia na inangkop sa pagtaas ng kape. Karamihan sa aking sorpresa, natuklasan namin na ang araw-araw na pagkakaiba-iba ng panahon at orasan direktang lumala ang mga antas ang antas ng kaasinan ang Daphnia ay inangkop sa. Sa ibang salita, bilang Daphnia inangkop sa mas mataas na antas ng kapinsalaan, nagpakita sila ng mas kaunting pagkakaiba-iba sa antas ng panahon at orasan sa buong araw. Ipinakita nito DaphniaAng orasan ay talagang apektado ng pollutant exposure.

Ang Daphnia at iba pang mga plankton ay kabilang sa mga pinaka-sagana organismo sa Earth at maglaro kritikal na ecological tungkulin.

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

Sa kasalukuyan ay hindi namin naiintindihan kung ano ang nagiging sanhi ng epekto na ito, ngunit ang relasyon sa pagitan ng mga antas ng pagkaasahan at nabawasan ang pagkakaiba-iba sa antas ng panahon at orasan Nag-aalok ng isang bakas. Alam namin na ang exposure sa pollutants ay nagiging sanhi ng Daphnia na sumailalim epigenetic regulation - Mga pagbabago sa kemikal na nakakaapekto sa pag-andar ng kanilang mga gene, nang hindi binabago ang kanilang DNA. At ang mga pagbabago sa epigeneto ay madalas na nagpapakita ng unti-unti na pagtugon, na nagiging mas maliwanag habang nagdaragdag ang sanhi ng factor. Samakatuwid, malamang na ang mataas na kaasinan ay nagpapahiwatig ng mga pagbabago sa kemikal sa pamamagitan ng mga epigenetic na mekanismo na ito Daphnia upang sugpuin ang pag-andar ng circadian clock nito.

Ang malawak na epekto ng pagkagambala ng circadian orasan

Alam namin na ang mga kondisyon ng kapaligiran ay maaaring makaapekto sa kung ano ang orasan ay nagreregula sa maraming species. Halimbawa, ang pagbabago ng asukal na ang halamang-singaw Neurospora crassa lumalaki sa Ang mga pagbabago na nag uugali ng orasan ay nag-uutos. Ngunit sa aming kaalaman, ang pag-aaral na ito ang unang nagpapakita na ang mga gene ng pangunahing orasan ng isang organismo ay maaaring direktang maapektuhan ng adaptasyon sa isang kontaminant sa kapaligiran. Ang aming paghahanap ay nagpapahiwatig na tulad ng mga gears ng isang mekanikal na orasan ay maaaring kalawang sa paglipas ng panahon, ang circadian orasan ay maaaring permanenteng naapektuhan ng kapaligiran pagkakalantad.

Ang pananaliksik na ito ay may mahalagang implikasyon. Una, kung Daphnia's Inilalaan ng circadian clock ang paglahok nito sa vertical migration ng diel, at pagkatapos ay nakakaabala ang orasan na maaaring mangahulugang iyon Daphnia huwag lumipat sa haligi ng tubig. Daphnia ang mga pangunahing konsumidor ng algae at pinagkukunan ng pagkain para sa maraming isda, kaya nakakasira ang kanilang mga circadian rhythms maaaring makaapekto sa buong ekosistema.

Pangalawa, ang ating mga natuklasan ay nagpapahiwatig na ang polusyon sa kapaligiran ay maaaring magkaroon ng mas malawak na epekto sa mga tao kaysa sa naunang naunawaan. Ang mga gene at mga proseso Daphnia's Ang orasan ay halos kapareho sa mga nag-uugnay sa orasan sa mga tao. Ang aming mga circadian rhythms ay kinokontrol ang mga gene na lumikha ng mga cellular oscillation na nakakaapekto sa function ng cell, dibisyon at paglago, kasama ang mga physiological parameter tulad ng temperatura ng katawan at mga tugon sa immune.

Ang orasan ng sirkadian ng tao ay nag-uugnay sa mga siklo ng maraming mga function sa katawan. NIH

Kapag ang mga ritmo na ito ay nawala sa mga tao, nakikita natin ang mas mataas na antas ng kanser, diyabetis, labis na katabaan, sakit sa puso, depression at marami pang ibang sakit. Ang aming trabaho ay nagpapahiwatig na ang pagkakalantad sa mga pollutant sa kapaligiran ay maaaring ma-depress ang function ng mga orasan ng tao, na maaaring humantong sa mas mataas na mga rate ng sakit.

Pinagpapatuloy namin ang aming gawain sa pamamagitan ng pag-aaral kung paano ang pagkagambala Daphnia's orasan ay nakakaapekto sa paglahok nito sa diel vertical migration. Nagsusumikap din kami upang matukoy ang mga pinagbabatayan ng mga pagbabagong ito, upang maitatag kung at paano ito mangyayari sa utak ng tao. Ang mga epekto na aming natagpuan sa Daphnia ipakita na kahit na isang simpleng substansiya tulad ng asin ay maaaring magkaroon ng lubhang komplikadong mga epekto sa mga organismo na nabubuhay.

Tungkol sa Ang May-akda

Jennifer Marie Hurley, Assistant Propesor ng Biological Sciences, Rensselaer Polytechnic Institute

Ang artikulong ito ay orihinal na na-publish sa Ang pag-uusap. Basahin ang ang orihinal na artikulo.

Mga Kaugnay na Libro:

at InnerSelf Market at Amazon