Kuinka tämä merimato voi erottaa Moonglown auringonsäteistä | Quanta-lehti

Eräänä kesäyönä Napolinlahdella matolaumoja ui ylös meriruohosta kohti veden pintaa laskevan kuun valossa. Ei kauan ennen kuin olennot aloittivat hirvittävän seksuaalisen muodonmuutoksen: heidän ruoansulatusjärjestelmänsä kuihtuivat ja heidän uintilihaksensa kasvoivat samalla kun heidän ruumiinsa täyttyi munia tai siittiöitä. Sormen mittaiset olennot, nyt vain vähän enemmän kuin lihaksikkaita sukusolupusseja, leijuivat pintaan yhteen ääneen ja kiersivät toisiaan muutaman tunnin aikana kiihkeässä häätanssissa. He päästivät lahteen lukemattomia munia ja siittiöitä – ja sitten kuunvalaistu valssi päättyi matojen kuolemaan.

Meren harjasmato Platynereis dumerilii saa vain yhden mahdollisuuden pariutua, joten sen viimeinen tanssi ei olisi parempi olla yksin. Varmistaakseen, että monet madot kokoontuvat samaan aikaan, laji synkronoi lisääntymisajoituksensa kuun syklien kanssa.

Kuinka vedenalainen mato voi kertoa, milloin kuu on kirkkaimmillaan? Evolutionin vastaus on tarkka taivaallinen kello, jonka käämittää molekyyli, joka voi aistia kuun säteet ja synkronoida matojen lisääntymiselämän kuun vaiheisiin.

Kukaan ei ollut koskaan nähnyt, kuinka yksi näistä kuunvalomolekyyleistä toimi. Äskettäin vuonna julkaistussa tutkimuksessa Luonto Viestintä, tutkijat Saksassa määritti eri rakenteet että yksi tällainen proteiini harjasmadoissa imeytyy pimeässä ja auringonvalossa. He paljastivat myös biokemiallisia yksityiskohtia, jotka auttavat selittämään, kuinka proteiini erottaa kirkkaammat auringonsäteet ja pehmeämmät kuukautiset.

Tämä on ensimmäinen kerta, kun tutkijat ovat määrittäneet minkä tahansa proteiinin molekyylirakenteen, joka vastaa biologisen kellon synkronoinnista kuun vaiheiden kanssa. "En ole tietoinen toisesta järjestelmästä, jota olisi tarkasteltu näin hienostuneesti", sanoi biokemisti. Brian Crane Cornellin yliopistosta, joka ei ollut mukana uudessa tutkimuksessa.

Tällaiset löydöt voivat olla merkityksellisiä monenlaisten olentojen, myös ihmisten, fysiologian kannalta. "Meillä ei ole toista esimerkkiä, jossa ymmärtäisimme nämä mekanismit niin molekyylien yksityiskohtaisesti", sanoi Eva Wolf, biokemisti Mainzin Johannes Gutenbergin yliopistossa Saksassa, joka on yksi paperin kirjoittajista. "Nämä tutkimukset auttavat meitä ymmärtämään, kuinka kuunvalooskillaattorit ja synkronointi kuun vaiheiden kanssa voivat toimia."

Vaikka heräämme tänään useammin herätyskellon pauluun kuin ensimmäiseen aamunkoittoon, kehomme pitää silti aikaa auringon kanssa. Ihmisillä, kuten monilla muillakin eläimillä, kehittyneet biologiset kellot, joita kutsutaan vuorokausikelloiksi, synkronoivat kehon rytmit aamunkoittoon ja pimeään. Kryptokromiproteiinit ovat tärkeitä osia monien organismien vuorokausikellossa, joko havaitsevat valoa, kuten kasveissa, tai koordinoivat muiden proteiinien kanssa, jotka toimivat, kuten ihmisillä.

Vaikka kuu on satoja tuhansia kertoja himmeämpi kuin aurinko, se myös valaisee Maata säännöllisin väliajoin. Täysi sykli, uudesta kuusta täysikuuhun ja takaisin, kestää 29.5 päivää. Monet organismit, erityisesti erilaiset meren eläimet, käyttävät tätä kuukalenteria luotettavana kellona. Korallien, simpukoiden, merimatojen ja jopa joidenkin kalojen tiedetään ajoittavan lisääntymistoimintansa vastaamaan kuun vaiheita.

Synkronoidakseen ympyräkellonsa organismien on jotenkin aistittava kuunvalo ja erotettava se auringonvalosta, joka on pohjimmiltaan samantyyppistä valoa, mutta paljon voimakkaampaa. Se, kuinka solut tarkalleen pystyvät pitämään kuukalenteria - erottamaan paitsi kuunvalon auringonvalosta, myös täysikuun uudesta kuusta - on edelleen suurelta osin mystistä.

Viime aikoina tiedemiehet ovat alkaneet pohtia, voivatko kryptokromit olla mukana kuun kelloissa, koska ne ovat vuorokausirytmeissä. Vuonna 2007 tutkijat löysivät vihjeitä tietyistä koralleista, joka ekspressoi kryptokromiproteiineja aktiivisemmin valossa.

Muutama vuosi sitten Wolf liittyi kronobiologiin Kristin Tessmar-Raible Wienin yliopiston Max Perutz Labsin kasvua P. dumerilii, koska se synkronoi lisääntymisensä kuun vaiheiden kanssa. He osoittivat, että valoa tunnistava kryptokromi nimeltä L-Cry on kriittinen osa madon kuukelloa. Heidän tiiminsä työ, julkaistu 2022osoitti, että proteiini pystyy erottamaan pimeyden auringonvalosta sekä kuunvalosta.

Ei kuitenkaan ollut selvää, miten proteiini toimi. Itse asiassa yhdenkään organismin sirkalunaarista kelloa ei ymmärretty biokemiallisella tasolla.

"Se on jäänyt huomaamatta", Wolf sanoi. "Sitä pientä kuutamomerkkiä ei ole otettu vakavasti. Aina oli aurinko vastaan ​​pimeys."

Oppiakseen kuinka L-Cry toimii, tutkijat halusivat vangita, kuinka sen rakenne muuttui, kun se altistui valolle. Wolf toimitti mato-L-Cry-proteiineja Kölnin yliopistoon, jotta ne voitaisiin kuvata Elmar Behrmann’s rakennebiokemian laboratorio, joka on erikoistunut herkkiin, lyhytaikaisiin proteiineihin. Mutta Behrmannin kokenut tiimi kamppaili vuosia saadakseen L-Cryn käyttäytymään tarpeeksi hyvin, jotta se voitaisiin kuvata kryoelektronimikroskoopilla.

He eivät tienneet sitä silloin, mutta valoa hiipi näytteisiin. "Luultavasti puolitoista vuotta, kun luulimme työskentelevämme pimeässä, emme olleet tarpeeksi pimeitä", Behrmann sanoi. Peitettyään jokainen oviaukon halkeama ja vilkkuva LED mustalla silikoniteipillä, he saivat vihdoin selkeän kuvan.

Pimeässä, P. dumeriliiL-Cry-proteiinit yhdistyvät sitoutuneina pareina, joita kutsutaan dimeereiksi. Kun niihin osuu voimakas auringonvalo, dimeerit hajoavat jälleen kahdeksi monomeeriksi.

Tämä on päinvastoin kuin kuinka valoa tunnistavat kryptokromit erottavat auringonvalon kasvien pimeydestä, Crane sanoi. Istuta kryptokromit ryhmittymään auringonvaloon ja hajoamaan pimeässä.

L-Cryn kuutamomuotoa ei kuvattu suoraan näissä kokeissa, mutta uusi ymmärrys dimeerirakenteista paljastaa, kuinka L-Cry erottaa kuunvalon auringonvalosta. Proteiinin kuutamomuoto voidaan luoda vain pimeyden dimeeristä - ei vapaasti kelluvasta auringonvalomuodosta. Tämä auttaa selittämään, kuinka madot välttävät sekoittamasta aamun ja hämärän hämärää kuunvaloa.

Vaikka tämä tutkimus keskittyy vain yhteen proteiiniin yhdessä eläimessä, on syytä olettaa, että tämä kuun ajoitusmekanismi on osa evoluutiotarinaa, joka menee harjasmadon traagisten kuunvalaisemien romanssien ulkopuolelle. "On täysin mahdollista, että myös muut kryptokromityypit käyttävät tämän tyyppistä mekanismia", Crane sanoi.

Muilla eläimillä on kuukausittainen lisääntymiskierto, vaikka ne eivät välttämättä ole suoraan yhteydessä kuuhun. Meillä ihmisillä on esimerkiksi kierto, joka on suunnilleen samanpituinen kuin kuun kierto, Tessmar-Raible sanoi. "Kuukautiskierto on määritelmänsä mukaan kuukausittainen oskillaattori."

Kuun vaiheiden mahdollinen rooli ihmisen kuukautiskierron synkronoinnissa on erittäin kiistanalainen. Siitä huolimatta kuukautiset, kuukaudet ja kuu voivat olla yhteisiä enemmän kuin etymologiset juuret. Tessmar-Raible sanoi, että kuun vaiheiden tahdissa heiluvilla harjasmatohormoneilla on läheisiä serkkuja ihmisissä. "En usko, että on liian kaukaa haettua väittää, että madot voivat tasoittaa tietä ihmisten kuukausittaiselle lisääntymisajoitukselle." Ehkä nykyaikaiset 28 päivän rytmimme ovat evoluution jäämiä, jotka ovat mukulakiviä vanhemman solukellokoneiston palasista, jotka jossain matalassa alkumeressä auttoivat aikoinaan merimadoja pitämään ajan kuun kierrossa.

Quanta tekee sarjan kyselyjä palvellakseen paremmin yleisöämme. Ota meidän biologian lukijakysely ja pääset mukaan voittamaan ilmaiseksi Quanta kauppatavaraa.