Hvordan denne marineormen kan fortelle Moonglow fra solstråler | Quanta Magazine

En sommernatt i Napolibukta svømte horder av ormer opp fra sjøgresset mot vannoverflaten under lyset fra en avtagende måne. Ikke lenge før begynte skapningene en grufull seksuell metamorfose: Fordøyelsessystemet deres visnet, og svømmemusklene vokste, mens kroppen fyltes med egg eller sædceller. De fingerlange skapningene, nå lite mer enn muskuløse poser med sexceller, flagret til overflaten unisont og, over noen timer, sirklet hverandre i en hektisk bryllupsdans. De slapp ut utallige egg og sæd i bukten - og så endte den månelyse valsen i ormenes død.

Den marine børsteormen Platynereis dumerilii får bare én sjanse til å parre seg, så den siste dansen bør ikke være en solo. For å sikre at mange ormer samles samtidig, synkroniserer arten sin reproduktive timing med månens sykluser.

Hvordan kan en undersjøisk orm fortelle når månen er på sitt sterkeste? Evolusjonens svar er en presis himmelklokke viklet av et molekyl som kan registrere månestråler og synkronisere ormenes reproduktive liv til månefaser.

Ingen hadde noen gang sett hvordan et av disse måneskinnsmolekylene fungerte. Nylig imidlertid i en studie publisert i Nature Communications, forskere i Tyskland bestemte de forskjellige strukturene at et slikt protein i børsteormer tar inn mørke og sollys. De avdekket også biokjemiske detaljer som hjelper til med å forklare hvordan proteinet skiller mellom lysere solstråler og mykere moonglow.

Det er første gang forskere har bestemt den molekylære strukturen til et protein som er ansvarlig for å synkronisere en biologisk klokke til månens faser. "Jeg er ikke klar over et annet system som har blitt sett på med denne grad av sofistikert," sa biokjemikeren Brian Crane fra Cornell University, som ikke var involvert i den nye studien.

Slike funn kan være relevante for fysiologien til mange typer skapninger, inkludert mennesker. "Vi har ingen andre eksempler hvor vi forstår disse mekanismene i slike molekylære detaljer," sa Eva Wolf, en biokjemiker ved Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz i Tyskland som er en av medforfatterne av artikkelen. "Disse studiene hjelper oss å begynne å vite hvordan måneskinnsoscillatorer og synkronisering med månefasene kan fungere."

Selv om vi våkner oftere i dag til alarmen fra en vekkerklokke enn til det første lyset av daggry, holder kroppen fortsatt tid med solen. Hos mennesker, som hos mange andre dyr, synkroniserer sofistikerte biologiske klokker kalt døgnklokker kroppens rytmer til taktene fra daggry og kveld. Kryptokrome proteiner er viktige deler av mange organismers døgnklokker, enten de føler lys, som hos planter, eller koordinerer med andre proteiner som gjør det, som hos mennesker.

Selv om det er hundretusenvis av ganger svakere enn solen, lyser månen også opp jorden etter en vanlig tidsplan. En full syklus, fra nymåne til fullmåne og tilbake igjen, varer i 29.5 dager. Mange organismer, spesielt ulike typer marint liv, bruker denne månekalenderen som en pålitelig klokke. Koraller, blåskjell, marine ormer og til og med noen fisk er kjent for å time sin reproduksjonsaktivitet til å matche månefasene.

For å synkronisere sine sirkalunære klokker, må organismer på en eller annen måte føle måneskinn og skille det fra sollys, som i hovedsak er den samme typen lys, bare langt mer intenst. Nøyaktig hvordan celler klarer å holde en månekalender - for å skille ikke bare måneskinn fra sollys, men også en fullmåne fra en nymåne - er fortsatt stort sett mystisk.

Nylig har forskere begynt å lure på om kryptokromer kan være involvert i måneklokker, ettersom de er i døgnrytmer. I 2007 fant forskerne hint i visse koraller, som uttrykte kryptokromproteiner mer aktivt under lys.

For noen år siden ble Wolf sammen med kronobiologen Kristin Tessmar-Raible av University of Viennas Max Perutz Labs for å vokse P. dumerilii, siden den synkroniserer sin reproduksjon til månefaser. De beviste at en lysfølende kryptokrom kalt L-Cry er en kritisk del av ormens måneklokke. Teamets arbeid, publisert i 2022, viste at proteinet kan skille mørke fra sollys, så vel som måneskinn.

Det var imidlertid ikke klart hvordan proteinet fungerte. Faktisk ble ikke en eneste organismes sirkulære klokke forstått på biokjemisk nivå.

"Det har blitt ganske oversett," sa Wolf. "Det mindre måneskinnssignalet har ikke blitt tatt på alvor. Det var alltid sol mot mørke.»

For å lære hvordan L-Cry fungerer, ønsket forskerne å fange hvordan strukturen endret seg når den ble eksponert for lys. Wolf sendte ormen L-Cry-proteiner til universitetet i Köln slik at de kunne avbildes Elmar Behrmannsitt strukturelle biokjemilaboratorium, som spesialiserer seg på sensitive, flyktige proteiner. Men Behrmanns erfarne team slet i årevis for å få L-Cry til å oppføre seg godt nok til å bli avbildet av deres kryo-elektronmikroskop.

De visste det ikke på det tidspunktet, men lyset snek seg inn i prøvene. "Sannsynligvis i ett og et halvt år, da vi trodde vi jobbet i mørket, var vi ikke mørke nok," sa Behrmann. Etter å ha dekket hver døråpning og blinkende LED med svart silikontape, fikk de endelig et klart bilde.

I mørket, P. dumerilii's L-Cry-proteiner samler seg som bundne par kalt dimerer. Når de blir truffet av intenst sollys, brytes dimerene fra hverandre i to monomerer igjen.

Dette er det motsatte av hvordan lysfølende kryptokromer forteller sollys fra mørke i planter, sa Crane. Plantekryptokromer grupperer seg i sollys og bryter fra hverandre i mørket.

L-Crys måneskinnsform ble ikke fanget direkte i disse eksperimentene, men den nye forståelsen av dimerstrukturene avslører hvordan L-Cry skiller måneskinn fra sollys. Måneskinnsformen til proteinet kan bare skapes fra mørkedimeren - ikke fra den frittflytende sollysformen. Dette hjelper til med å forklare hvordan ormer unngår å forveksle det svake lyset fra daggry og skumring med måneskinn.

Selv om denne studien fokuserer på bare ett protein i ett dyr, er det grunn til å tro at denne månens timingmekanisme er en del av en evolusjonær historie som går utover de tragiske månelyse-romansene til børsteormen. "Det er ganske mulig at andre typer kryptokromer også bruker denne typen mekanismer," sa Crane.

Andre dyr har månedlige reproduksjonssykluser, selv om de ikke nødvendigvis er direkte knyttet til månen. Vi mennesker, for eksempel, har en syklus som er omtrent like lang som månesyklusen, sa Tessmar-Raible. "Menstruasjonssyklusen, per definisjon, er en månedlig oscillator."

Enhver mulig rolle for månefaser i synkronisering av den menneskelige menstruasjonssyklusen er svært kontroversiell. Likevel kan mens, måneder og månen dele mer enn etymologiske røtter. Børsteormhormonene som svinger synkronisert med månefasene har nære kusiner hos mennesker, sa Tessmar-Raible. "Jeg tror ikke det er for langsøkt å si at ormer kan bane vei for [forståelse av] månedlig reproduksjonstid hos mennesker." Kanskje våre moderne 28-dagers rytmer er evolusjonære rester, brosteinsbelagte fra biter av eldre cellulært urverk som, i et grunt urhav, en gang hjalp marine ormer med å holde tid til månens syklus.

Quanta gjennomfører en serie undersøkelser for å tjene publikum bedre. Ta vår biologi leserundersøkelse og du vil bli registrert for å vinne gratis Quanta handelsvarer.