Come questo verme marino riesce a distinguere il bagliore della luna dai raggi del sole | Rivista Quanti

In una notte d’estate nel Golfo di Napoli, orde di vermi nuotavano dalle alghe verso la superficie dell’acqua sotto la luce di una luna calante. Non molto tempo prima, le creature iniziarono una raccapricciante metamorfosi sessuale: il loro sistema digestivo appassiva, i loro muscoli natatori crescevano, mentre i loro corpi si riempivano di uova o sperma. Le creature lunghe un dito, ora poco più che sacche muscolari di cellule sessuali, svolazzarono in superficie all'unisono e, per alcune ore, si girarono l'una intorno all'altra in una frenetica danza nuziale. Hanno rilasciato innumerevoli uova e sperma nella baia – e poi il valzer al chiaro di luna si è concluso con la morte dei vermi.

Il verme marino Platynereis dumerilii ha solo una possibilità di accoppiarsi, quindi è meglio che la sua danza finale non sia un assolo. Per garantire che molti vermi si riuniscano contemporaneamente, la specie sincronizza i suoi tempi riproduttivi con i cicli lunari.

Come può un verme sottomarino capire quando la luna è più luminosa? La risposta dell’evoluzione è un preciso orologio celeste avvolto da una molecola in grado di percepire i raggi lunari e sincronizzare la vita riproduttiva dei vermi con le fasi lunari.

Nessuno aveva mai visto come funzionasse una di queste molecole del chiaro di luna. Recentemente, però, in uno studio pubblicato su Nature Communications, ricercatori in Germania determinato le diverse strutture che una di queste proteine ​​nei vermi delle setole viene assunta al buio e alla luce del sole. Hanno anche scoperto dettagli biochimici che aiutano a spiegare come la proteina distingue tra i raggi del sole più luminosi e il chiarore lunare più tenue.

È la prima volta che gli scienziati determinano la struttura molecolare di una proteina responsabile della sincronizzazione di un orologio biologico con le fasi lunari. "Non sono a conoscenza di un altro sistema che sia stato esaminato con questo grado di sofisticazione", ha detto il biochimico Brian Crane della Cornell University, che non è stata coinvolta nel nuovo studio.

Tali scoperte potrebbero essere rilevanti per la fisiologia di molti tipi di creature, compresi gli esseri umani. "Non abbiamo nessun altro esempio in cui comprendiamo questi meccanismi in modo così dettagliato a livello molecolare", ha affermato Eva Lupo, biochimico dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza in Germania, uno dei coautori dell'articolo. “Questi studi ci aiutano a iniziare a sapere come possono funzionare gli oscillatori al chiaro di luna e la sincronizzazione con le fasi lunari”.

Anche se oggi ci svegliamo più spesso al suono di una sveglia che alle prime luci dell'alba, i nostri corpi seguono ancora il ritmo del sole. Negli esseri umani, come in molti altri animali, sofisticati orologi biologici chiamati orologi circadiani sincronizzano i ritmi del corpo con i battiti dell’alba e del tramonto. Le proteine ​​criptocromo sono parti importanti dell’orologio circadiano di molti organismi, poiché rilevano la luce, come nelle piante, o si coordinano con altre proteine ​​che lo fanno, come negli esseri umani.

Sebbene centinaia di migliaia di volte più debole del sole, anche la luna illumina la Terra regolarmente. Un ciclo completo, dalla luna nuova alla luna piena e viceversa, dura 29.5 giorni. Molti organismi, in particolare vari tipi di vita marina, utilizzano questo calendario lunare come un orologio affidabile. È noto che i coralli, le cozze, i vermi marini e persino alcuni pesci sincronizzano la loro attività riproduttiva in modo che corrisponda alle fasi lunari.

Per sincronizzare i loro orologi circalunari, gli organismi devono in qualche modo percepire la luce lunare e distinguerla dalla luce solare, che è essenzialmente lo stesso tipo di luce, solo molto più intensa. Il modo esatto in cui le cellule riescono a mantenere un calendario lunare – a distinguere non solo la luce lunare dalla luce solare, ma anche la luna piena da una luna nuova – è ancora in gran parte misterioso.

Recentemente, gli scienziati hanno iniziato a chiedersi se i criptocromi potrebbero essere coinvolti negli orologi lunari, così come lo sono nei ritmi circadiani. Nel 2007, gli scienziati hanno scoperto accenni in alcuni coralli, che esprimevano le proteine ​​criptocromo più attivamente sotto la luce.

Qualche anno fa Wolf si è unito al cronobiologo Kristin Tessmar-Raible dei Max Perutz Labs dell’Università di Vienna a crescere P. dumerilii, poiché sincronizza la sua riproduzione con le fasi lunari. Hanno dimostrato che un criptocromo sensibile alla luce chiamato L-Cry è un pezzo fondamentale dell’orologio lunare del verme. Il lavoro del loro team, pubblicato nel 2022, hanno dimostrato che la proteina può distinguere l'oscurità dalla luce solare, così come dalla luce lunare.

Tuttavia, non era chiaro come funzionasse la proteina. In effetti, non è stato compreso a livello biochimico l’orologio circalunare di un singolo organismo.

"È stato abbastanza trascurato", ha detto Wolf. “Quel piccolo segnale lunare non è stato preso sul serio. Era sempre il sole contro l’oscurità.”

Per scoprire come funziona L-Cry, i ricercatori volevano catturare come cambiava la sua struttura quando veniva esposto alla luce. Wolf ha spedito le proteine ​​L-Cry del verme all'Università di Colonia in modo che potessero essere visualizzate Elmar BehrmannIl laboratorio di biochimica strutturale di, specializzato in proteine ​​sensibili ed effimere. Ma il team esperto di Behrmann ha lottato per anni per far sì che L-Cry si comportasse abbastanza bene da poter essere ripreso dal loro microscopio crioelettronico.

All’epoca non lo sapevano, ma la luce si stava insinuando nei campioni. “Probabilmente per un anno e mezzo, quando pensavamo di lavorare nell’oscurità, non eravamo abbastanza oscuri”, ha detto Behrmann. Dopo aver coperto ogni fessura della porta e aver fatto lampeggiare i LED con nastro siliconico nero, hanno finalmente ottenuto un quadro chiaro.

Nell'oscurità, P. dumeriliiLe proteine ​​L-Cry di si accoppiano formando coppie legate chiamate dimeri. Quando vengono colpiti dalla luce solare intensa, i dimeri si dividono nuovamente in due monomeri.

Questo è l’opposto di come i criptocromi sensibili alla luce distinguono la luce solare dall’oscurità nelle piante, ha detto Crane. I criptocromi vegetali si raggruppano alla luce del sole e si disgregano al buio.

La forma della luce lunare di L-Cry non è stata catturata direttamente in questi esperimenti, ma la nuova comprensione delle strutture dei dimeri rivela come L-Cry distingue la luce lunare dalla luce solare. La forma della proteina al chiaro di luna può essere creata solo dal dimero di oscurità, non dalla forma della luce solare fluttuante. Questo aiuta a spiegare come i vermi evitino di confondere la fioca luce dell’alba e del tramonto con la luce della luna.

Sebbene questo studio si concentri su una sola proteina in un animale, c’è motivo di pensare che questo meccanismo di temporizzazione lunare sia parte di una storia evolutiva che va oltre le tragiche storie d’amore al chiaro di luna del verme setola. "È del tutto possibile che anche altri tipi di criptocromi utilizzino questo tipo di meccanismo", ha detto Crane.

Altri animali hanno cicli riproduttivi mensili, anche se non sono necessariamente collegati direttamente alla Luna. Noi esseri umani, ad esempio, abbiamo un ciclo che ha all’incirca la stessa durata del ciclo lunare, ha detto Tessmar-Raible. "Il ciclo mestruale, per definizione, è un oscillatore mensile."

Qualsiasi possibile ruolo delle fasi lunari nella sincronizzazione del ciclo mestruale umano lo è vivamente controverso. Anche così, le mestruazioni, i mesi e la luna potrebbero condividere più delle semplici radici etimologiche. Gli ormoni dei vermi che oscillano in sincronia con le fasi lunari hanno cugini stretti negli esseri umani, ha detto Tessmar-Raible. “Non penso che sia troppo inverosimile affermare che i vermi possano aprire la strada alla [comprensione] dei tempi riproduttivi mensili negli esseri umani”. Forse i nostri moderni ritmi di 28 giorni sono residui evolutivi, messi insieme da frammenti di vecchi meccanismi cellulari che, in qualche mare primordiale poco profondo, un tempo aiutavano i vermi marini a tenere il tempo secondo il ciclo lunare.

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