Hvordan denne marineorm kan fortælle Moonglow fra solstråler | Quanta Magasinet

En sommernat i Napoli-bugten svømmede horder af orme opad fra søgræsset mod vandoverfladen under lyset fra en aftagende måne. Ikke længe før begyndte væsnerne en grufuld seksuel metamorfose: Deres fordøjelsessystem visnede, og deres svømmemuskler voksede, mens deres kroppe fyldtes med æg eller sæd. De fingerlange væsner, nu lidt mere end muskuløse poser af kønsceller, flagrede til overfladen i forening og i løbet af et par timer kredsede de om hinanden i en hektisk bryllupsdans. De frigav utallige æg og sæd i bugten - og så endte den måneskinne vals i ormenes død.

Den marine børsteorm Platynereis dumerilii får kun én chance for at parre sig, så den sidste dans må hellere ikke være en solo. For at sikre, at mange orme samles på samme tid, synkroniserer arten sin reproduktive timing med månens cyklusser.

Hvordan kan en undersøisk orm fortælle, hvornår månen er på sit klareste? Evolutionens svar er et præcist himmelsk ur, der er viklet af et molekyle, der kan fornemme månestråler og synkronisere ormens reproduktive liv til månefaser.

Ingen havde nogensinde set, hvordan et af disse måneskinsmolekyler fungerede. For nylig er det dog i en undersøgelse offentliggjort i Nature Communications, forskere i Tyskland har bestemt de forskellige strukturer at et sådant protein i børsteorme optager mørke og sollys. De afslørede også biokemiske detaljer, der hjælper med at forklare, hvordan proteinet skelner mellem lysere solstråler og blødere moonlow.

Det er første gang, at forskere har bestemt den molekylære struktur af et protein, der er ansvarligt for at synkronisere et biologisk ur til månens faser. "Jeg kender ikke til et andet system, der er blevet set på med denne grad af sofistikering," sagde biokemikeren Brian Crane fra Cornell University, som ikke var involveret i den nye undersøgelse.

Sådanne opdagelser kan være relevante for fysiologien af ​​mange slags væsner, inklusive mennesker. "Vi har intet andet eksempel, hvor vi forstår disse mekanismer i sådanne molekylære detaljer," sagde Eva Wolf, en biokemiker ved Johannes Gutenberg Universitetet i Mainz i Tyskland, som er en af ​​medforfatterne til papiret. "Disse undersøgelser hjælper os med at begynde at vide, hvordan måneskinsoscillatorer og synkronisering med månefaserne kan fungere."

Selvom vi vågner oftere i dag til et vækkeurs brag end til det første lys fra daggry, holder vores kroppe stadig tid med solen. Hos mennesker, som hos mange andre dyr, synkroniserer sofistikerede biologiske ure kaldet døgnure kroppens rytmer til takterne fra daggry og mørke. Kryptokrome proteiner er vigtige dele af mange organismers døgnklokker, der enten føler lys, som i planter, eller koordinerer med andre proteiner, der gør det, som hos mennesker.

Selvom hundredtusindvis af gange svagere end solen, oplyser månen også Jorden efter en regelmæssig tidsplan. En fuld cyklus, fra nymåne til fuldmåne og tilbage igen, varer 29.5 dage. Mange organismer, især forskellige slags havliv, bruger denne månekalender som et pålideligt ur. Koraller, muslinger, havorme og endda nogle fisk er kendt for at time deres reproduktive aktivitet til at matche med månefaser.

For at synkronisere deres cirkulære ure skal organismer på en eller anden måde mærke måneskin og skelne det fra sollys, som i det væsentlige er den samme type lys, kun langt mere intenst. Præcis hvordan celler formår at holde en månekalender - for at skelne ikke kun måneskin fra sollys, men også en fuldmåne fra en nymåne - er stadig stort set mystisk.

For nylig er forskere begyndt at spekulere på, om kryptokromer kan være involveret i måneure, da de er i døgnrytmer. I 2007 fandt forskerne antydninger i visse koraller, som udtrykte kryptokrome proteiner mere aktivt under lys.

For nogle år siden sluttede Wolf sig sammen med kronobiologen Kristin Tessmar-Raible fra universitetet i Wiens Max Perutz Labs for at vokse P. dumerilii, da den synkroniserer sin reproduktion til månefaser. De beviste, at en lysfølende kryptokrom kaldet L-Cry er en kritisk del af ormens måneur. Deres teams arbejde, offentliggjort i 2022, viste, at proteinet kan skelne mørke fra sollys, såvel som måneskin.

Det var dog ikke klart, hvordan proteinet virkede. Faktisk blev ikke en eneste organismes cirkulære ur forstået på det biokemiske niveau.

"Det er blevet ret overset," sagde Wolf. "Det mindre måneskinssignal er ikke blevet taget alvorligt. Det var altid solen mod mørket.”

For at lære, hvordan L-Cry virker, ønskede forskerne at fange, hvordan dens struktur ændrede sig, når den blev udsat for lys. Wolf sendte orme-L-Cry-proteiner til universitetet i Köln, så de kunne afbildes Elmar Behrmann's strukturelle biokemiske laboratorium, som er specialiseret i følsomme, flygtige proteiner. Men Behrmanns erfarne team kæmpede i årevis for at få L-Cry til at opføre sig godt nok til at blive afbildet af deres kryo-elektronmikroskop.

De vidste det ikke på det tidspunkt, men lyset sneg sig ind i prøverne. "Sandsynligvis i halvandet år, da vi troede, vi arbejdede i mørke, var vi ikke mørke nok," sagde Behrmann. Efter at have dækket hver døråbningsrevne og blinkende LED med sort silikonetape, fik de endelig et klart billede.

I mørket, P. dumerilii's L-Cry-proteiner samler sig som bundne par kaldet dimerer. Når de bliver ramt af intenst sollys, bryder dimererne igen i to monomerer.

Dette er det modsatte af, hvordan lysfølende kryptokromer fortæller sollys fra mørke i planter, sagde Crane. Plantekryptokromer grupperer sig i sollys og går i stykker i mørket.

L-Crys måneskinsform blev ikke direkte fanget i disse eksperimenter, men den nye forståelse af de dimere strukturer afslører, hvordan L-Cry adskiller måneskin fra sollys. Proteinets måneskinsform kan kun skabes fra mørkedimeren - ikke fra den fritsvævende sollysform. Dette hjælper med at forklare, hvordan orme undgår at forveksle det svage lys fra daggry og skumring for måneskin.

Selvom denne undersøgelse fokuserer på kun ét protein i ét dyr, er der grund til at tro, at denne månens timing-mekanisme er en del af en evolutionær historie, der går ud over børsteormens tragiske måneskinne romancer. "Det er meget muligt, at andre typer kryptokromer også anvender denne type mekanisme," sagde Crane.

Andre dyr har månedlige reproduktionscyklusser, selvom de ikke nødvendigvis er direkte forbundet med månen. Vi mennesker har for eksempel en cyklus, der er omkring samme længde som månens cyklus, sagde Tessmar-Raible. "Menstruationscyklussen er per definition en månedlig oscillator."

Enhver mulig rolle for månefaser i synkroniseringen af ​​den menneskelige menstruationscyklus er stærkt kontroversielle. Alligevel kunne menstruation, måneder og månen dele mere end etymologiske rødder. Børsteormhormonerne, der svinger synkront med månens faser, har tætte fætre hos mennesker, sagde Tessmar-Raible. "Jeg tror ikke, det er for langt ude at sige, at orme kan bane vejen for [forståelse af] månedlig reproduktiv timing hos mennesker." Måske er vores moderne 28-dages rytmer evolutionære rester, flettet sammen fra stykker af ældre cellulært urværk, der i et lavvandet urhav engang hjalp marineorme med at holde tid til månens cyklus.

Quanta gennemfører en række undersøgelser for bedre at kunne betjene vores publikum. Tag vores biologi læserundersøgelse og du vil være med til at vinde gratis Quanta varer.