この海洋虫はどのようにして月光と太陽光線を区別できるのか |クアンタマガジン

ナポリ湾の夏の夜、欠けていく月の光の下、ミミズの大群が海草から水面に向かって泳ぎ上がった。少し前に、この生き物は恐ろしい性的変態を始めました。消化器系は萎縮し、泳ぐ筋肉は成長し、体は卵または精子で満たされました。指ほどの長さの生き物は、今や性細胞の筋肉質な袋にすぎず、一斉に水面に飛び上がり、数時間かけて熱狂的な結婚ダンスでお互いの周りを旋回した。彼らは無数の卵と精子を湾に放ちました。そして月明かりに照らされたワルツは虫たちの死で終わりました。

マリンブリスルワーム プラティネレイス・デュメリリ 交尾のチャンスは一度だけなので、最後のダンスはソロではないほうがいいでしょう。多くの虫が同時に集まるようにするために、この種は生殖のタイミングを月の周期と同期させています。

海中の虫は月が最も明るいときをどのようにして知ることができるのでしょうか?進化の答えは、月の光を感知して線虫の生殖生活を月の満ち欠けに同期させることができる分子によって巻き取られた正確な天時計です。

これらの月光分子の XNUMX つがどのように機能するのかを見た人は誰もいませんでした。しかし最近、雑誌で発表された研究では、 ネイチャー·コミュニケーションズ、ドイツの研究者 さまざまな構造を決定しました 毛虫のそのようなタンパク質のXNUMXつは、暗闇と日光を吸収します。彼らはまた、タンパク質が明るい太陽光線と柔らかい月明かりをどのように区別するかを説明するのに役立つ生化学的詳細も明らかにした。

科学者たちが体内時計を月の満ち欠けに同期させる役割を担うタンパク質の分子構造を決定したのはこれが初めてだ。 「これほど精緻に研究されたシステムを他に知りません」と生化学者は語った ブライアン・クレーン コーネル大学の博士はこの新しい研究には関与していなかった。

このような発見は、人間を含む多くの種類の生き物の生理学に関連する可能性があります。 「これらのメカニズムをこれほど分子レベルで詳細に理解した例は他にありません」と氏は述べた。 エヴァ・ウルフ、ドイツのマインツのヨハネス・グーテンベルク大学の生化学者であり、論文の共著者の一人です。 「これらの研究は、月光発振器と月の満ち欠けとの同期がどのように機能するかを知り始めるのに役立ちます。」

今日、私たちは夜明けの光よりも目覚まし時計の音で目覚めることの方が多いですが、私たちの体は依然として太陽の光とともに時間を刻んでいます。他の多くの動物と同様に、人間でも、概日時計と呼ばれる洗練された生物学的時計が、体のリズムを夜明けと夜のビートに同期させます。クリプトクロムタンパク質は、多くの生物の概日時計の重要な部分であり、植物のように光を感知したり、人間のように光を感知する他のタンパク質と調整したりします。

月は太陽よりも数十万倍暗いですが、定期的に地球を照らします。新月から満月、そしてまた満月に戻るまでの完全なサイクルは 29.5 日続きます。多くの生物、特にさまざまな種類の海洋生物は、この太陰暦を信頼できる時計として使用しています。サンゴ、イガイ、海洋虫、さらに一部の魚は、月の満ち欠けに合わせて生殖活動のタイミングを計ることが知られています。

円周時計を同期させるために、生物は何らかの方法で月の光を感知し、本質的には同じ種類の光であるがはるかに強いだけである太陽光と区別する必要があります。細胞がどのようにして太陰暦を管理しているのか、つまり太陽光から月の光だけでなく、満月と新月を区別する仕組みは、依然としてほとんどが謎に包まれている。

最近、科学者たちは、概日リズムと同様に、クリプトクロムが月の時計に関与しているのではないかと考え始めています。 2007 年、科学者たちは次のことを発見しました。 特定のサンゴにヒントがある、光の下でより活発にクリプトクロムタンパク質を発現しました。

数年前、ウルフは時間生物学者と協力しました クリスティン・テスマー・ライブル ウィーン大学マックス・ペルツ研究室の成長を目指す P. ドゥメリリ、 再生を月の満ち欠けと同期させるためです。彼らは、L-Cryと呼ばれる光を感知するクリプトクロームがこのワームの月時計の重要な部分であることを証明しました。彼らのチームの仕事、 2022に発表されましたは、このタンパク質が月光だけでなく暗闇と太陽光を区別できることを示しました。

しかし、このタンパク質がどのように機能するかは明らかではありませんでした。実際、生化学レベルで理解された生物の日周時計は一つもありませんでした。

「これは全く見落とされてきました」とウルフ氏は語った。 「その小さな月明かりの信号は真剣に受け止められていません。それは常に太陽対暗闇でした。」

L-Cry がどのように機能するかを知るために、研究者らは光にさらされたときにその構造がどのように変化するかを捉えたいと考えました。 Wolf は線虫の L-Cry タンパク質をケルン大学に出荷し、画像化できるようにしました。 エルマー・ベーアマンの構造生化学研究室は、敏感で一時的なタンパク質を専門としています。しかし、Behrmann 氏の経験豊富なチームは、クライオ電子顕微鏡で画像化できるほど L-Cry を動作させるのに何年も苦労しました。

当時彼らは気づいていませんでしたが、光がサンプルの中に忍び込んでいたのです。 「おそらく XNUMX 年半の間、私たちは暗闇の中で仕事をしていると思っていましたが、十分に暗くはありませんでした」とベーアマン氏は言いました。出入り口のすべての亀裂を覆い、LED を点滅させながら黒いシリコン テープを貼り付けた後、ようやく鮮明な画像が得られました。

暗闇で、 P. デュメリリの L-Cry タンパク質は、二量体と呼ばれる結合ペアとして結合します。強い太陽光に当たると、二量体は再び XNUMX つの単量体に分解されます。

これは、光を感知するクリプトクロムが植物の太陽光と暗闇を区別する方法とは逆であるとクレーン氏は述べた。植物のクリプトクロムは太陽光の下では集まり、暗闇ではバラバラになります。

これらの実験では、L-Cry の月光の形態は直接捕らえられませんでしたが、二量体構造の新たな理解により、L-Cry が月光と太陽光をどのように区別しているかが明らかになりました。タンパク質の月光型は、闇二量体からのみ作成でき、浮遊する太陽光型からは作成できません。これは、線虫が夜明けや夕暮れの薄暗い光を月の光と間違えないようにする方法を説明するのに役立ちます。

この研究は XNUMX 頭の動物の XNUMX つのタンパク質に焦点を当てていますが、この月のタイミングのメカニズムは、毛虫の悲劇的な月夜のロマンスを超えた進化の物語の一部であると考える理由があります。 「他のタイプのクリプトクロームもこのタイプのメカニズムを採用している可能性は十分にあります」とクレーン氏は言う。

他の動物には毎月の生殖周期がありますが、それらは必ずしも月に直接関係しているわけではありません。例えば、私たち人間の周期は月の周期とほぼ同じである、とテスマー・ライブル氏は述べた。 「定義によれば、月経周期は毎月変動します。」

人間の月経周期を同期させる上で、月の満ち欠けが果たせる役割は次のとおりです。 非常に 物議を醸す。それでも、月経、月、月には語源以上の共通点がある可能性があります。テスマー・ライブル氏によると、月の満ち欠けに同期して揺れる毛虫ホルモンは人間にもよく似ているという。 「線虫が人間の毎月の生殖タイミングを理解する道を開く可能性があるというのは、突飛すぎるとは思いません。」おそらく、私たちの現代の 28 日リズムは進化の名残であり、かつて浅い原始の海で海洋虫が月の周期に合わせて時間を保つのに役立っていた、古い細胞時計仕掛けの断片が組み合わさってできたものです。

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