Hogyan tudja ez a tengeri féreg megkülönböztetni Moonglow-t a napsugaraktól | Quanta Magazin

Egy nyári éjszakán a Nápolyi-öbölben férgek hordái úsztak felfelé a tengeri fűből a víz felszíne felé a fogyó hold fényében. Nem sokkal korábban a lények hátborzongató szexuális metamorfózisba kezdtek: emésztőrendszerük elsorvadt, úszóizmaik nőttek, testük pedig megtelt petesejttel vagy spermával. Az ujjnyi hosszúságú lények, amelyek immár nemi sejtekből álló izmos zsákok voltak, egyhangúan repkedtek a felszínre, és néhány óra leforgása alatt eszeveszett násztáncban keringették egymást. Számtalan tojást és spermát engedtek az öbölbe – majd a holdfényes keringő a férgek halálával végződött.

A tengeri sörtéjű féreg Platynereis dumerilii csak egy lehetőséget kap a párzásra, így az utolsó tánc jobb, ha nem szóló. Annak érdekében, hogy sok féreg gyűljön össze egy időben, a faj szinkronizálja szaporodási időzítését a hold ciklusaival.

Honnan tudja egy tenger alatti féreg, hogy mikor van a hold a legfényesebben? Az Evolution válasza egy precíz égi óra, amelyet egy molekula tekercselt, amely képes érzékelni a holdsugarat, és szinkronizálni a férgek szaporodási életét a holdfázisokkal.

Soha senki nem látta, hogyan működik ezek a holdfénymolekulák. A közelmúltban azonban egy ben megjelent tanulmányban Nature Communications, németországi kutatók meghatározta a különböző struktúrákat hogy a sörteférgek egyik ilyen fehérje sötétben és napfényben felveszi. Olyan biokémiai részleteket is feltártak, amelyek segítenek megmagyarázni, hogy a fehérje hogyan tesz különbséget a fényesebb napsugarak és a lágyabb holdfény között.

Ez az első alkalom, hogy a tudósok meghatározták bármely olyan fehérje molekuláris szerkezetét, amely felelős a biológiai óra és a holdfázisok szinkronizálásáért. „Nem tudok olyan másik rendszerről, amelyet ilyen kifinomultsággal vizsgáltak volna” – mondta a biokémikus. Brian Crane a Cornell Egyetem munkatársa, aki nem vett részt az új tanulmányban.

Az ilyen felfedezések sokféle lény fiziológiája szempontjából relevánsak lehetnek, beleértve az embereket is. "Nincs más példánk arra, hogy ilyen molekuláris részletességgel megértenénk ezeket a mechanizmusokat" - mondta Farkas Éva, a németországi Mainzi Johannes Gutenberg Egyetem biokémikusa, aki a tanulmány egyik társszerzője. "Ezek a tanulmányok segítenek megismerni, hogyan működhetnek a holdfény-oszcillátorok és a holdfázisokkal való szinkronizálás."

Bár ma gyakrabban ébredünk az ébresztőóra dörrenésére, mint a hajnal első fényére, testünk még mindig tartja az időt a nappal. Az embereknél, akárcsak sok más állatnál, a cirkadián óráknak nevezett kifinomult biológiai órák szinkronizálják a test ritmusát a hajnali és az esti órákhoz. A kriptokróm fehérjék számos élőlény cirkadián órájának fontos részei, vagy érzékelik a fényt, mint a növényekben, vagy koordinálják más fehérjékkel, amelyek igen, mint az emberekben.

Bár a Hold több százezerszer halványabb, mint a Nap, a Hold is rendszeresen megvilágítja a Földet. Egy teljes ciklus, újholdtól teliholdig és vissza, 29.5 napig tart. Sok élőlény, különösen a tengeri élőlények különféle fajtái, megbízható óraként használják ezt a holdnaptárt. Ismeretes, hogy a korallok, kagylók, tengeri férgek és még egyes halak szaporodási tevékenységüket a holdfázisokhoz igazítják.

A körkörös óráik szinkronizálásához az organizmusoknak valamilyen módon érzékelniük kell a holdfényt, és meg kell különböztetniük a napfénytől, amely lényegében ugyanaz a fénytípus, csak sokkal intenzívebb. Az, hogy a sejtek pontosan hogyan tudják megtartani a holdnaptárat – nemcsak a holdfényt a napfénytől, hanem a teliholdat is az újholdtól – még mindig nagyrészt titokzatos.

A közelmúltban a tudósok azon töprengtek, hogy a kriptokrómok szerepet játszhatnak-e a holdórákban, mivel a cirkadián ritmusban vannak. 2007-ben a tudósok megállapították utal bizonyos korallokra, amely fény alatt aktívabban expresszálta a kriptokróm fehérjéket.

Néhány évvel ezelőtt Wolf csatlakozott a kronobiológushoz Kristin Tessmar-Raible a Bécsi Egyetem Max Perutz Labsának növekedése P. dumerilii, mivel szaporodását a holdfázisokhoz szinkronizálja. Bebizonyították, hogy az L-Cry nevű, fényérzékelő kriptokróm a féreg holdórájának kritikus része. Csapatuk munkája, megjelent 2022, megmutatta, hogy a fehérje képes megkülönböztetni a sötétséget a napfénytől, valamint a holdfénytől.

Azonban nem volt világos, hogyan működik a fehérje. Valójában egyetlen szervezet körkörös óráját sem értették meg biokémiai szinten.

„Eléggé figyelmen kívül hagyták” – mondta Wolf. „Nem vették komolyan azt a kisebb holdfényjelzést. Mindig a nap volt a sötétség ellen.

Az L-Cry működésének megismerése érdekében a kutatók meg akarták ragadni, hogyan változott meg a szerkezete, amikor fény éri. Wolf L-Cry féreg fehérjéket szállított a Kölni Egyetemre, hogy le lehessen őket ábrázolni Elmar Behrmann's szerkezeti biokémiai laboratóriuma, amely érzékeny, efemer fehérjékre specializálódott. De Behrmann tapasztalt csapata évekig küzdött azért, hogy az L-Cry elég jól viselkedjen ahhoz, hogy krio-elektron mikroszkópjukkal leképezzék.

Akkor még nem tudták, de fény lopódzott a mintákba. „Valószínűleg másfél évig, amikor azt hittük, hogy sötétben dolgozunk, nem voltunk elég sötétek” – mondta Behrmann. Miután minden ajtónyílás repedést és villogó LED-et fekete szilikon szalaggal lefedtek, végre tiszta képet kaptak.

Sötétben, P. dumeriliiAz L-Cry fehérjék dimereknek nevezett kötött párokként barátkoznak. Amikor erős napfény éri őket, a dimerek ismét két monomerre bomlanak szét.

Ez az ellenkezője annak, ahogy a fényérzékelő kriptokrómok megkülönböztetik a napfényt a sötétségtől a növényekben, mondta Crane. Ültessük a kriptokrómokat napfényben csoportosulva, és a sötétben szétesnek.

Az L-Cry holdfény formáját ezekben a kísérletekben nem rögzítették közvetlenül, de a dimer szerkezetek új megértése megmutatja, hogy az L-Cry hogyan különbözteti meg a holdfényt a napfénytől. A fehérje holdfény formája csak a sötét dimerből jöhet létre - a szabadon lebegő napfény formából nem. Ez segít megmagyarázni, hogyan kerülik a férgek összetévesztik a hajnal és az alkony halvány fényét a holdfénnyel.

Bár ez a tanulmány egyetlen állatban csak egy fehérjére összpontosít, okkal feltételezhető, hogy ez a holdidőzítési mechanizmus egy olyan evolúciós történet része, amely túlmutat a sörteféreg tragikus holdfényes románcán. "Elképzelhető, hogy más típusú kriptokrómok is alkalmaznak ilyen típusú mechanizmust" - mondta Crane.

Más állatoknak havi szaporodási ciklusai vannak, bár nem feltétlenül kapcsolódnak közvetlenül a Holdhoz. Nekünk, embereknek például egy olyan ciklusunk van, amely körülbelül ugyanolyan hosszú, mint a holdciklusé, mondta Tessmar-Raible. "A menstruációs ciklus definíció szerint egy havi oszcillátor."

A holdfázisok bármilyen lehetséges szerepe az emberi menstruációs ciklus szinkronizálásában az nagyon vitatott. Ennek ellenére a menstruációnak, a hónapoknak és a holdnak több az etimológiai gyökere. Tessmar-Raible szerint a holdfázisokkal szinkronban lengő sörteféreghormonoknak közeli rokonaik vannak az emberekben. "Szerintem nem túl messzire elgondolkodtató azt állítani, hogy a férgek kikövezhetik az utat az emberek havi szaporodási időzítésének [megértése] előtt." A modern 28 napos ritmusunk talán evolúciós maradványok, amelyeket a régebbi sejtes óraszerkezet darabkái alkotnak, amelyek egy sekély őstengerben egykor segítettek a tengeri férgeknek a Hold ciklusához igazodni.

Quanta felméréssorozatot végez közönségünk jobb kiszolgálása érdekében. Vidd a miénket biológia olvasói felmérés és ingyenesen nyerhetsz Quanta áru.