Jak ten robak morski potrafi odróżnić blask księżyca od promieni słonecznych | Magazyn Quanta

Pewnej letniej nocy w Zatoce Neapolitańskiej hordy robaków wypłynęły z trawy morskiej w górę w kierunku powierzchni wody w świetle słabnącego księżyca. Niedługo wcześniej stworzenia rozpoczęły makabryczną metamorfozę płciową: ich układ trawienny więdnął, mięśnie pływające rosły, a ich ciała wypełniały się jajami lub plemnikami. Stworzenia długości palców, teraz niewiele większe niż muskularne worki komórek płciowych, wyleciały na powierzchnię zgodnie i przez kilka godzin krążyły wokół siebie w szalonym tańcu godowym. Wypuścili do zatoki niezliczone jaja i plemniki, a potem walc w świetle księżyca zakończył się śmiercią robaków.

Robak włosia morskiego Platynereis dumerilii ma tylko jedną szansę na parowanie, więc jego ostatni taniec powinien nie być solówką. Aby zapewnić jednoczesne gromadzenie się wielu robaków, gatunek synchronizuje swój czas reprodukcji z cyklami księżyca.

Jak podmorski robak może rozpoznać, kiedy księżyc jest najjaśniejszy? Odpowiedzią ewolucji jest precyzyjny niebiański zegar nakręcany cząsteczką potrafiącą wyczuwać promienie księżyca i synchronizować życie reprodukcyjne robaków z fazami księżyca.

Nikt nigdy nie widział, jak działa jedna z tych cząsteczek światła księżyca. Niedawno jednak w badaniu opublikowanym w Nature Communications, badacze z Niemiec określił różne struktury że jedno z takich białek u robaków szczeciniastych wchłania ciemność i światło słoneczne. Odkryli także szczegóły biochemiczne, które pomagają wyjaśnić, w jaki sposób białko rozróżnia jaśniejsze promienie słoneczne od delikatniejszej poświaty księżyca.

Po raz pierwszy naukowcy określili strukturę molekularną dowolnego białka odpowiedzialnego za synchronizację zegara biologicznego z fazami Księżyca. „Nie znam innego systemu, który zostałby zbadany z takim stopniem zaawansowania” – powiedział biochemik Briana Crane'a z Cornell University, który nie był zaangażowany w nowe badanie.

Takie odkrycia mogą mieć znaczenie dla fizjologii wielu rodzajów stworzeń, w tym ludzi. „Nie mamy innego przykładu, w którym rozumiemy te mechanizmy z tak szczegółowymi szczegółami molekularnymi” – powiedział Ewa Wilk, biochemik z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji w Niemczech, który jest jednym ze współautorów pracy. „Te badania pomagają nam dowiedzieć się, jak mogą działać oscylatory światła księżyca i synchronizacja z fazami księżyca”.

Chociaż dzisiaj częściej budzimy się na dźwięk budzika niż na pierwsze światło świtu, nasze ciała nadal dotrzymują kroku słońcu. U ludzi, podobnie jak u wielu innych zwierząt, wyrafinowane zegary biologiczne zwane zegarami dobowymi synchronizują rytmy organizmu z rytmem świtu i zapadania nocy. Białka kryptochromowe są ważnymi elementami zegara dobowego wielu organizmów, które albo wyczuwają światło, jak u roślin, albo koordynują działania z innymi białkami, które to robią, jak u ludzi.

Choć setki tysięcy razy słabszy od Słońca, Księżyc również regularnie oświetla Ziemię. Pełny cykl, od nowiu do pełni księżyca i z powrotem, trwa 29.5 dnia. Wiele organizmów, zwłaszcza różne rodzaje życia morskiego, używa tego kalendarza księżycowego jako niezawodnego zegara. Wiadomo, że koralowce, małże, robaki morskie, a nawet niektóre ryby dostosowują swoją aktywność reprodukcyjną do faz księżyca.

Aby zsynchronizować swoje zegary okołoksiężycowe, organizmy muszą w jakiś sposób wyczuć światło księżyca i odróżnić je od światła słonecznego, które jest w zasadzie tym samym rodzajem światła, tylko znacznie intensywniejszym. Dokładny sposób, w jaki komórki radzą sobie z kalendarzem księżycowym – pozwalającym odróżnić nie tylko światło księżyca od światła słonecznego, ale także pełnię księżyca od nowiu – jest nadal w dużej mierze tajemniczy.

Ostatnio naukowcy zaczęli się zastanawiać, czy kryptochromy mogą być zaangażowane w zegary księżycowe, podobnie jak w rytmy dobowe. Naukowcy odkryli w 2007 roku wskazówki w niektórych koralowcach, które pod wpływem światła aktywniej wyrażały białka kryptochromowe.

Kilka lat temu Wolf nawiązał współpracę z chronobiologiem Kristin Tessmar-Raible laboratoriów Maxa Perutza na Uniwersytecie Wiedeńskim będzie się rozwijać P. dumerilii, ponieważ synchronizuje reprodukcję z fazami księżyca. Udowodnili, że wykrywający światło kryptochrom o nazwie L-Cry jest krytycznym elementem księżycowego zegara robaka. Praca ich zespołu, opublikowane w 2022wykazały, że białko potrafi odróżnić ciemność od światła słonecznego, a także od światła księżyca.

Nie było jednak jasne, jak działa białko. W rzeczywistości zegar okołoksiężycowy żadnego organizmu nie został zrozumiany na poziomie biochemicznym.

„Zostało to całkowicie przeoczone” – powiedział Wolf. „Ten drobny sygnał światła księżyca nie został potraktowany poważnie. Zawsze było to słońce kontra ciemność.

Aby dowiedzieć się, jak działa L-Cry, badacze chcieli uchwycić, jak zmieniała się jego struktura pod wpływem światła. Wolf wysłał białka L-Cry robaka na Uniwersytet w Kolonii, aby można było je sfotografować Elmara Behrmannalaboratorium biochemii strukturalnej, które specjalizuje się w wrażliwych, efemerycznych białkach. Jednak doświadczony zespół Behrmanna przez lata walczył o to, aby L-Cry zachowywał się na tyle dobrze, aby można było go sfotografować za pomocą mikroskopu krioelektronowego.

Wtedy jeszcze o tym nie wiedzieli, ale do próbek wkradało się światło. „Prawdopodobnie przez półtora roku, kiedy myśleliśmy, że pracujemy w ciemności, nie byliśmy wystarczająco ciemni” – powiedział Behrmann. Po zakryciu każdej szczeliny w drzwiach i miganiu diody LED czarną taśmą silikonową w końcu uzyskano wyraźny obraz.

W ciemności, P. dumeriliiBiałka L-Cry łączą się w związane pary zwane dimerami. Pod wpływem intensywnego światła słonecznego dimery ponownie rozpadają się na dwa monomery.

Jest to przeciwieństwo tego, jak czułe na światło kryptochromy odróżniają światło słoneczne od ciemności w roślinach, powiedział Crane. Roślinne kryptochromy grupują się w świetle słonecznym i rozpadają się w ciemności.

W tych eksperymentach nie ujęto bezpośrednio formy światła księżyca L-Cry, ale nowe zrozumienie struktur dimerów ujawnia, w jaki sposób L-Cry odróżnia światło księżyca od światła słonecznego. Białko w postaci światła księżyca można wytworzyć wyłącznie z dimeru ciemności, a nie z swobodnie unoszącej się formy światła słonecznego. Pomaga to wyjaśnić, w jaki sposób robaki unikają mylenia przyćmionego światła świtu i zmierzchu ze światłem księżyca.

Chociaż badanie to koncentruje się tylko na jednym białku u jednego zwierzęcia, istnieją powody, aby sądzić, że ten księżycowy mechanizm synchronizacji jest częścią historii ewolucyjnej, która wykracza poza tragiczne romanse szczeciniaka przy świetle księżyca. „Jest całkiem możliwe, że inne typy kryptochromów również wykorzystują tego typu mechanizm” – powiedział Crane.

Inne zwierzęta mają miesięczne cykle rozrodcze, choć niekoniecznie są bezpośrednio powiązane z Księżycem. Na przykład my, ludzie, mamy cykl mniej więcej tej samej długości co cykl księżycowy, powiedziała Tessmar-Raible. „Cykl menstruacyjny, z definicji, jest oscylatorem miesięcznym”.

Jakakolwiek możliwa rola faz księżyca w synchronizacji cyklu menstruacyjnego człowieka jest taka wysoko kontrowersyjny. Mimo to miesiączki, miesiące i księżyc mogą mieć więcej wspólnego niż etymologiczne korzenie. Tessmar-Raible twierdzi, że hormony robaka szczeciniastego, które zmieniają się w synchronizacji z fazami księżyca, mają bliskich kuzynów u ludzi. „Nie sądzę, że stwierdzenie, że robaki mogą utorować drogę do [zrozumienia] miesięcznego czasu reprodukcji u ludzi, nie jest zbyt naciągane”. Być może nasze współczesne 28-dniowe rytmy to pozostałości ewolucyjne, posklejane z kawałków starszego mechanizmu zegarowego komórkowego, który kiedyś w płytkich, pierwotnych morzach pomagał robakom morskim odmierzać czas cyklu księżyca.

Quanta przeprowadza serię ankiet, aby lepiej służyć naszym odbiorcom. Weź nasze ankieta czytelnicza biologii i zostaniesz wpisany, aby wygrać za darmo Quanta towar.