Πώς αυτό το θαλάσσιο σκουλήκι μπορεί να ξεχωρίσει το Moonglow από τις ηλιαχτίδες | Περιοδικό Quanta

Μια καλοκαιρινή νύχτα στον κόλπο της Νάπολης, ορδές από σκουλήκια κολύμπησαν προς τα πάνω από το θαλάσσιο γρασίδι προς την επιφάνεια του νερού κάτω από το φως ενός φεγγαριού που φθίνει. Λίγο πριν, τα πλάσματα άρχισαν μια φρικτή σεξουαλική μεταμόρφωση: το πεπτικό τους σύστημα μαράθηκε και οι μύες κολύμβησης μεγάλωσαν, ενώ το σώμα τους γέμισε με ωάρια ή σπέρμα. Τα πλάσματα που έφταναν τα δάχτυλα, τώρα λίγο περισσότερο από μυώδεις σακούλες με σεξουαλικά κύτταρα, φτερούγαζαν στην επιφάνεια ομόφωνα και, μέσα σε λίγες ώρες, έκαναν κύκλους μεταξύ τους σε έναν ξέφρενο γαμήλιο χορό. Ελευθέρωσαν αμέτρητα ωάρια και σπέρμα στον κόλπο - και στη συνέχεια το φεγγαρόλουστο βαλς κατέληξε στον θάνατο των σκουληκιών.

Το σκουλήκι των θαλάσσιων τριχών Platynereis dumerilii έχει μόνο μία ευκαιρία να ζευγαρώσει, οπότε ο τελικός του χορός καλύτερα να μην είναι σόλο. Για να διασφαλιστεί ότι πολλά σκουλήκια συγκεντρώνονται ταυτόχρονα, το είδος συγχρονίζει τον αναπαραγωγικό του χρόνο με τους κύκλους της σελήνης.

Πώς μπορεί ένα υποθαλάσσιο σκουλήκι να καταλάβει πότε το φεγγάρι είναι στο πιο φωτεινό του; Η απάντηση της Evolution είναι ένα ακριβές ουράνιο ρολόι που τυλίγεται από ένα μόριο που μπορεί να ανιχνεύσει τις ακτίνες του φεγγαριού και να συγχρονίσει τις αναπαραγωγικές ζωές των σκουληκιών με τις σεληνιακές φάσεις.

Κανείς δεν είχε δει ποτέ πώς λειτουργούσε ένα από αυτά τα μόρια του σεληνόφωτος. Πρόσφατα, ωστόσο, σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, ερευνητές στη Γερμανία καθόρισε τις διαφορετικές δομές ότι μια τέτοια πρωτεΐνη στα σκουλήκια με τρίχες παίρνει στο σκοτάδι και στο φως του ήλιου. Αποκάλυψαν επίσης βιοχημικές λεπτομέρειες που βοηθούν να εξηγηθεί πώς η πρωτεΐνη διακρίνει μεταξύ φωτεινότερων ηλιαχτίδων και πιο απαλού φεγγαριού.

Είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες προσδιόρισαν τη μοριακή δομή οποιασδήποτε πρωτεΐνης που είναι υπεύθυνη για το συγχρονισμό ενός βιολογικού ρολογιού με τις φάσεις της σελήνης. «Δεν γνωρίζω άλλο σύστημα που έχει εξεταστεί με αυτό το βαθμό πολυπλοκότητας», είπε ο βιοχημικός Μπράιαν Κρέιν του Πανεπιστημίου Cornell, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη.

Τέτοιες ανακαλύψεις θα μπορούσαν να σχετίζονται με τη φυσιολογία πολλών ειδών πλασμάτων, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. «Δεν έχουμε άλλο παράδειγμα όπου κατανοούμε αυτούς τους μηχανισμούς με τόσο μοριακή λεπτομέρεια», είπε Εύα Γουλφ, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg του Mainz στη Γερμανία, ο οποίος είναι ένας από τους συν-συγγραφείς της εργασίας. «Αυτές οι μελέτες μας βοηθούν να αρχίσουμε να γνωρίζουμε πώς μπορούν να λειτουργήσουν οι ταλαντωτές του σεληνιακού φωτός και ο συγχρονισμός με τις φάσεις της σελήνης».

Αν και σήμερα ξυπνάμε πιο συχνά από το χτύπημα ενός ξυπνητηριού παρά από το πρώτο φως της αυγής, το σώμα μας εξακολουθεί να κρατά χρόνο με τον ήλιο. Στον άνθρωπο, όπως και σε πολλά άλλα ζώα, εξελιγμένα βιολογικά ρολόγια που ονομάζονται κιρκαδικά ρολόγια συγχρονίζουν τους ρυθμούς του σώματος με τους ρυθμούς της αυγής και της νύχτας. Οι πρωτεΐνες κρυπτοχρωμίου είναι σημαντικά κομμάτια του κιρκάδιου ρολογιού πολλών οργανισμών, είτε ανιχνεύουν το φως, όπως στα φυτά, είτε συντονίζονται με άλλες πρωτεΐνες που το κάνουν, όπως στους ανθρώπους.

Αν και εκατοντάδες χιλιάδες φορές πιο αχνό από τον ήλιο, το φεγγάρι φωτίζει επίσης τη Γη σε ένα τακτικό πρόγραμμα. Ένας πλήρης κύκλος, από τη νέα σελήνη στην πανσέληνο και πάλι πίσω, διαρκεί 29.5 ημέρες. Πολλοί οργανισμοί, ειδικά διάφορα είδη θαλάσσιας ζωής, χρησιμοποιούν αυτό το σεληνιακό ημερολόγιο ως αξιόπιστο ρολόι. Τα κοράλλια, τα μύδια, τα θαλάσσια σκουλήκια και ακόμη και μερικά ψάρια είναι γνωστό ότι χρονομετρούν την αναπαραγωγική τους δραστηριότητα ώστε να ταιριάζουν με τις φάσεις της σελήνης.

Για να συγχρονίσουν τα κυκλικά ρολόγια τους, οι οργανισμοί πρέπει με κάποιο τρόπο να αισθανθούν το φως του φεγγαριού και να το ξεχωρίσουν από το φως του ήλιου, το οποίο είναι ουσιαστικά το ίδιο είδος φωτός, μόνο πολύ πιο έντονο. Το πώς ακριβώς τα κύτταρα καταφέρνουν να διατηρούν ένα σεληνιακό ημερολόγιο - για να διακρίνουν όχι μόνο το φως του φεγγαριού από το φως του ήλιου, αλλά και μια πανσέληνο από μια νέα σελήνη - εξακολουθεί να είναι σε μεγάλο βαθμό μυστηριώδες.

Πρόσφατα, οι επιστήμονες άρχισαν να αναρωτιούνται εάν τα κρυπτοχρώματα μπορεί να εμπλέκονται στα σεληνιακά ρολόγια, καθώς είναι σε κιρκάδιους ρυθμούς. Το 2007, οι επιστήμονες ανακάλυψαν υπαινιγμούς σε ορισμένα κοράλλια, το οποίο εξέφραζε πρωτεΐνες κρυπτοχρωμίας πιο ενεργά κάτω από το φως.

Πριν από μερικά χρόνια, ο Wolf ενώθηκε με τον χρονοβιολόγο Kristin Tessmar-Raible των εργαστηρίων Max Perutz του Πανεπιστημίου της Βιέννης να αναπτυχθεί P. dumerilii, αφού συγχρονίζει την αναπαραγωγή του με φάσεις της σελήνης. Απέδειξαν ότι ένα κρυπτόχρωμο με αίσθηση φωτός που ονομάζεται L-Cry είναι ένα κρίσιμο κομμάτι του σεληνιακού ρολογιού του σκουληκιού. Η δουλειά της ομάδας τους, που δημοσιεύθηκε στο 2022, έδειξε ότι η πρωτεΐνη μπορεί να διακρίνει το σκοτάδι από το φως του ήλιου, καθώς και το φως του φεγγαριού.

Ωστόσο, δεν ήταν σαφές πώς λειτουργούσε η πρωτεΐνη. Στην πραγματικότητα, το κυκλικό ρολόι ενός οργανισμού δεν ήταν κατανοητό σε βιοχημικό επίπεδο.

«Έχει παραβλεφθεί αρκετά», είπε ο Wolf. «Αυτό το μικρό σήμα του φεγγαριού δεν έχει ληφθεί σοβαρά υπόψη. Ήταν πάντα ο ήλιος ενάντια στο σκοτάδι».

Για να μάθουν πώς λειτουργεί το L-Cry, οι ερευνητές θέλησαν να καταγράψουν πώς άλλαξε η δομή του όταν εκτέθηκε στο φως. Ο Wolf έστειλε πρωτεΐνες τύπου worm L-Cry στο Πανεπιστήμιο της Κολωνίας για να μπορούν να απεικονιστούν Έλμαρ Μπέρμαντου εργαστηρίου δομικής βιοχημείας, το οποίο ειδικεύεται σε ευαίσθητες, εφήμερες πρωτεΐνες. Αλλά η έμπειρη ομάδα του Behrmann πάλεψε για χρόνια για να κάνει το L-Cry να συμπεριφέρεται αρκετά καλά ώστε να απεικονίζεται από το κρυοηλεκτρονικό μικροσκόπιό τους.

Δεν το ήξεραν εκείνη τη στιγμή, αλλά το φως έμπαινε κρυφά στα δείγματα. «Πιθανώς για ενάμιση χρόνο, όταν νομίζαμε ότι δουλεύαμε στο σκοτάδι, δεν ήμασταν αρκετά σκοτεινοί», είπε ο Behrmann. Αφού κάλυψαν κάθε ρωγμή της πόρτας και το LED που αναβοσβήνει με μαύρη ταινία σιλικόνης, τελικά απέκτησαν μια καθαρή εικόνα.

Στο σκοτάδι, P. dumeriliiΟι πρωτεΐνες L-Cry συναντώνται ως δεσμευμένα ζεύγη που ονομάζονται διμερή. Όταν χτυπηθούν από έντονο ηλιακό φως, τα διμερή διασπώνται ξανά σε δύο μονομερή.

Αυτό είναι το αντίθετο από το πώς τα κρυπτοχρώματα με αίσθηση φωτός διακρίνουν το φως του ήλιου από το σκοτάδι στα φυτά, είπε ο Crane. Φυτέψτε τα κρυπτοχρώματα ομαδοποιούνται στο φως του ήλιου και διασπώνται στο σκοτάδι.

Η μορφή του σεληνόφωτος του L-Cry δεν καταγράφηκε άμεσα σε αυτά τα πειράματα, αλλά η νέα κατανόηση των δομών των διμερών αποκαλύπτει πώς το L-Cry διακρίνει το φως του φεγγαριού από το φως του ήλιου. Η μορφή του σεληνόφωτος της πρωτεΐνης μπορεί να δημιουργηθεί μόνο από το διμερές του σκότους - όχι από τη μορφή του ηλιακού φωτός που επιπλέει ελεύθερα. Αυτό βοηθά να εξηγηθεί πώς τα σκουλήκια αποφεύγουν να μπερδεύουν το αμυδρό φως της αυγής και του σούρουπου με το φως του φεγγαριού.

Αν και αυτή η μελέτη εστιάζει σε μία μόνο πρωτεΐνη σε ένα ζώο, υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι αυτός ο σεληνιακός μηχανισμός χρονισμού είναι μέρος μιας εξελικτικής ιστορίας που ξεπερνά τα τραγικά ειδύλλια του σκουληκιού με το φεγγάρι. "Είναι πολύ πιθανό ότι άλλοι τύποι κρυπτοχρωμάτων χρησιμοποιούν επίσης αυτόν τον τύπο μηχανισμού", είπε ο Crane.

Άλλα ζώα έχουν μηνιαίους αναπαραγωγικούς κύκλους, αν και δεν συνδέονται απαραίτητα άμεσα με το φεγγάρι. Εμείς οι άνθρωποι, για παράδειγμα, έχουμε έναν κύκλο που είναι περίπου το ίδιο μήκος με τον σεληνιακό κύκλο, είπε ο Tessmar-Raible. «Ο εμμηνορροϊκός κύκλος, εξ ορισμού, είναι ένας μηνιαίος ταλαντωτής».

Οποιοσδήποτε πιθανός ρόλος για τις φάσεις της σελήνης στον συγχρονισμό του ανθρώπινου εμμηνορροϊκού κύκλου είναι υψηλά αμφιλεγόμενος. Ακόμα κι έτσι, η έμμηνος ρύση, οι μήνες και το φεγγάρι θα μπορούσαν να έχουν περισσότερες από ετυμολογικές ρίζες. Οι ορμόνες του σκουληκιού των τριχών που ταλαντεύονται σε συγχρονισμό με τις σεληνιακές φάσεις έχουν στενά ξαδέλφια στους ανθρώπους, είπε ο Tessmar-Raible. «Δεν νομίζω ότι είναι πολύ τραβηγμένο να πούμε ότι τα σκουλήκια μπορεί να ανοίξουν το δρόμο για την [κατανόηση] του μηνιαίου χρόνου αναπαραγωγής στους ανθρώπους». Ίσως οι σύγχρονοι ρυθμοί των 28 ημερών μας να είναι εξελικτικά υπολείμματα, λιθόστρωτα από κομμάτια παλαιότερου κυψελοειδούς ρολογιού που, σε κάποια ρηχή αρχέγονη θάλασσα, κάποτε βοηθούσε τα θαλάσσια σκουλήκια να κρατούν χρόνο στον κύκλο της σελήνης.

Quanta διεξάγει μια σειρά από έρευνες για την καλύτερη εξυπηρέτηση του κοινού μας. Πάρτε το δικό μας έρευνα αναγνωστών βιολογίας και θα μπείτε για να κερδίσετε δωρεάν Quanta εμπορεύματα.