Wie dieser Meereswurm Mondschein von Sonnenstrahlen unterscheiden kann | Quanta-Magazin

In einer Sommernacht in der Bucht von Neapel schwammen im Licht des abnehmenden Mondes Scharen von Würmern aus dem Seegras zur Wasseroberfläche. Kurz zuvor begann bei den Kreaturen eine grausame sexuelle Metamorphose: Ihr Verdauungssystem verkümmerte, ihre Schwimmmuskeln wuchsen, während sich ihre Körper mit Eiern oder Sperma füllten. Die fingerlangen Kreaturen, jetzt kaum mehr als muskulöse Säcke voller Geschlechtszellen, flatterten gleichzeitig an die Oberfläche und umkreisten einander über ein paar Stunden hinweg in einem hektischen Hochzeitstanz. Sie entließen unzählige Eier und Spermien in die Bucht – und dann endete der mondhelle Walzer mit dem Tod der Würmer.

Der Meeresborstenwurm Platynereis dumerilii hat nur eine Chance, sich zu paaren, daher sollte sein letzter Tanz besser kein Solo sein. Um sicherzustellen, dass sich viele Würmer gleichzeitig versammeln, synchronisiert die Art ihren Fortpflanzungszeitpunkt mit den Zyklen des Mondes.

Wie kann ein Unterwasserwurm erkennen, wann der Mond am hellsten ist? Die Antwort der Evolution ist eine präzise Himmelsuhr, die von einem Molekül angetrieben wird, das Mondstrahlen wahrnehmen und das Fortpflanzungsleben der Würmer mit den Mondphasen synchronisieren kann.

Niemand hatte jemals gesehen, wie eines dieser Mondlichtmoleküle funktionierte. Kürzlich wurde jedoch in einer Studie veröffentlicht, die in veröffentlicht wurde Nature Communications veröffentlicht , Forscher in Deutschland bestimmte die unterschiedlichen Strukturen dass ein solches Protein in Borstenwürmern Dunkelheit und Sonnenlicht aufnimmt. Sie entdeckten auch biochemische Details, die erklären, wie das Protein zwischen helleren Sonnenstrahlen und weicherem Mondlicht unterscheidet.

Es ist das erste Mal, dass Wissenschaftler die molekulare Struktur eines Proteins bestimmt haben, das für die Synchronisierung einer biologischen Uhr mit den Mondphasen verantwortlich ist. „Mir ist kein anderes System bekannt, das mit diesem Grad an Komplexität untersucht wurde“, sagte der Biochemiker Brian Kran von der Cornell University, der nicht an der neuen Studie beteiligt war.

Solche Entdeckungen könnten für die Physiologie vieler Lebewesen, einschließlich des Menschen, relevant sein. „Wir haben kein anderes Beispiel, bei dem wir diese Mechanismen so detailliert verstehen“, sagte er Eva Wolf, ein Biochemiker an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in Deutschland, der einer der Co-Autoren des Artikels ist. „Diese Studien helfen uns zu verstehen, wie Mondlichtoszillatoren und die Synchronisierung mit den Mondphasen funktionieren können.“

Obwohl wir heute häufiger vom Klingeln eines Weckers als vom ersten Licht der Morgendämmerung aufwachen, hält unser Körper immer noch den Takt mit der Sonne. Beim Menschen, wie auch bei vielen anderen Tieren, synchronisieren hochentwickelte biologische Zeitmesser, sogenannte zirkadiane Uhren, die Rhythmen des Körpers mit den Takten von Tagesanbruch und Einbruch der Dunkelheit. Cryptochrom-Proteine ​​sind wichtige Bestandteile der zirkadianen Uhr vieler Organismen, da sie entweder Licht wahrnehmen, wie bei Pflanzen, oder mit anderen Proteinen koordinieren, die dies tun, wie beim Menschen.

Obwohl der Mond Hunderttausende Male schwächer ist als die Sonne, beleuchtet er auch die Erde in regelmäßigen Abständen. Ein vollständiger Zyklus vom Neumond zum Vollmond und wieder zurück dauert 29.5 Tage. Viele Organismen, insbesondere verschiedene Arten von Meereslebewesen, nutzen diesen Mondkalender als zuverlässige Uhr. Es ist bekannt, dass Korallen, Muscheln, Meereswürmer und sogar einige Fische ihre Fortpflanzungsaktivität an die Mondphasen anpassen.

Um ihre zirkularen Uhren zu synchronisieren, müssen Organismen das Mondlicht irgendwie wahrnehmen und es vom Sonnenlicht unterscheiden, das im Wesentlichen die gleiche Art von Licht ist, nur viel intensiver. Wie Zellen es genau schaffen, einen Mondkalender einzuhalten – nicht nur Mondlicht vom Sonnenlicht, sondern auch einen Vollmond von einem Neumond zu unterscheiden – ist immer noch weitgehend rätselhaft.

Vor kurzem haben Wissenschaftler begonnen, sich zu fragen, ob Cryptochrome an Monduhren beteiligt sein könnten, ebenso wie an zirkadianen Rhythmen. Im Jahr 2007 fanden Wissenschaftler heraus Hinweise in bestimmten Korallen, das Cryptochrom-Proteine ​​unter Licht aktiver exprimierte.

Vor einigen Jahren schloss sich Wolf dem Chronobiologen an Kristin Tessmar-Raible der Max Perutz Labs der Universität Wien soll wachsen P. dumerilii, da es seine Reproduktion mit den Mondphasen synchronisiert. Sie bewiesen, dass ein lichtempfindliches Kryptochrom namens L-Cry ein entscheidender Teil der Monduhr des Wurms ist. Die Arbeit ihres Teams, in 2022 veröffentlichtzeigten, dass das Protein sowohl Dunkelheit von Sonnenlicht als auch Mondlicht unterscheiden kann.

Es war jedoch nicht klar, wie das Protein funktionierte. Tatsächlich wurde die zirkulare Uhr eines einzigen Organismus auf biochemischer Ebene verstanden.

„Es wurde völlig übersehen“, sagte Wolf. „Dieses kleine Mondscheinsignal wurde nicht ernst genommen. Es war immer Sonne gegen Dunkelheit.“

Um zu erfahren, wie L-Cry funktioniert, wollten die Forscher erfassen, wie sich seine Struktur verändert, wenn es Licht ausgesetzt wird. Wolf schickte L-Cry-Proteine ​​des Wurms an die Universität zu Köln, damit sie dort abgebildet werden konnten Elmar BehrmannDas Labor für Strukturbiochemie ist auf empfindliche, kurzlebige Proteine ​​spezialisiert. Aber Behrmanns erfahrenes Team kämpfte jahrelang damit, dass sich L-Cry gut genug verhält, um von ihrem Kryo-Elektronenmikroskop abgebildet zu werden.

Sie wussten es damals noch nicht, aber Licht schlich sich in die Proben. „Wahrscheinlich waren wir anderthalb Jahre lang nicht dunkel genug, als wir dachten, wir würden im Dunkeln tappen“, sagte Behrmann. Nachdem sie jeden Türspalt und jede blinkende LED mit schwarzem Silikonband abgedeckt hatten, bekamen sie endlich ein klares Bild.

Im Dunkeln, P. dumeriliiDie L-Cry-Proteine ​​des menschlichen Körpers schließen sich als gebundene Paare, sogenannte Dimere, zusammen. Bei starker Sonneneinstrahlung zerfallen die Dimere wieder in zwei Monomere.

Dies sei das Gegenteil davon, wie lichtempfindliche Kryptochrome in Pflanzen Sonnenlicht von Dunkelheit unterscheiden, sagte Crane. Pflanzen-Cryptochrome gruppieren sich im Sonnenlicht und zerfallen im Dunkeln.

Die Mondlichtform von L-Cry wurde in diesen Experimenten nicht direkt erfasst, aber das neue Verständnis der Dimerstrukturen zeigt, wie L-Cry Mondlicht vom Sonnenlicht unterscheidet. Die Mondlichtform des Proteins kann nur aus dem Dunkelheitsdimer erzeugt werden – nicht aus der frei schwebenden Sonnenlichtform. Dies hilft zu erklären, wie Würmer vermeiden, das schwache Licht der Morgen- und Abenddämmerung mit Mondlicht zu verwechseln.

Obwohl sich diese Studie auf nur ein Protein in einem Tier konzentriert, gibt es Grund zu der Annahme, dass dieser Mond-Timing-Mechanismus Teil einer Evolutionsgeschichte ist, die über die tragischen Mondromanzen des Borstenwurms hinausgeht. „Es ist durchaus möglich, dass auch andere Arten von Kryptochromen diesen Mechanismus nutzen“, sagte Crane.

Andere Tiere haben monatliche Fortpflanzungszyklen, obwohl sie nicht unbedingt direkt mit dem Mond verbunden sind. „Wir Menschen haben zum Beispiel einen Zyklus, der ungefähr so ​​lang ist wie der Mondzyklus“, sagte Tessmar-Raible. „Der Menstruationszyklus ist per Definition ein monatlicher Oszillator.“

Die Mondphasen spielen möglicherweise eine Rolle bei der Synchronisierung des menschlichen Menstruationszyklus hoch umstritten. Dennoch könnten Menstruation, Monate und Mond mehr als nur etymologische Wurzeln gemeinsam haben. Die Borstenwurmhormone, die synchron mit den Mondphasen schwanken, seien enge Verwandte beim Menschen, sagte Tessmar-Raible. „Ich glaube nicht, dass es zu weit hergeholt ist zu sagen, dass Würmer den Weg für das Verständnis des monatlichen Fortpflanzungszeitpunkts beim Menschen ebnen könnten.“ Vielleicht sind unsere modernen 28-Tage-Rhythmen evolutionäre Überbleibsel, zusammengebastelt aus Teilen eines älteren zellulären Uhrwerks, das einst in einem flachen Urmeer Meereswürmern half, den Takt des Mondzyklus einzuhalten.

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