Cum acest vierme marin poate distinge lumina lunii de razele solare | Revista Quanta

Într-o noapte de vară în Golful Napoli, hoarde de viermi au înotat în sus din iarbă spre suprafața apei, sub lumina lunii în descreștere. Nu cu mult timp înainte, creaturile au început o metamorfoză sexuală înfiorătoare: sistemele lor digestive s-au ofilit, iar mușchii lor de înot au crescut, în timp ce corpurile li s-au umplut de ouă sau spermatozoizi. Creaturile lungi până la degete, acum puțin mai mult decât pungi musculare de celule sexuale, au zburat la suprafață la unison și, peste câteva ore, s-au înconjurat între ele într-un dans nupțial frenetic. Au eliberat nenumărate ouă și spermă în golf - și apoi valsul luminat de lună s-a încheiat cu moartea viermilor.

Viermele cu peri marin Platynereis dumerilii are o singură șansă să se împerecheze, așa că dansul final ar fi bine să nu fie un solo. Pentru a se asigura că mulți viermi se adună în același timp, specia își sincronizează timpul de reproducere cu ciclurile lunii.

Cum poate un vierme submarin să spună când luna este cea mai strălucitoare? Răspunsul lui Evolution este un ceas ceresc precis înfășurat de o moleculă care poate detecta razele lunii și poate sincroniza viața reproductivă a viermilor cu fazele lunare.

Nimeni nu văzuse vreodată cum funcționează una dintre aceste molecule de lumina lunii. Recent, însă, într-un studiu publicat în Natura Comunicaţii, cercetători din Germania a determinat diferitele structuri că o astfel de proteină din viermii cu peri ia în întuneric și în lumina soarelui. Ei au descoperit, de asemenea, detalii biochimice care ajută la explicarea modului în care proteina distinge între razele solare mai strălucitoare și lumina mai moale a lunii.

Este pentru prima dată când oamenii de știință au determinat structura moleculară a oricărei proteine ​​responsabile de sincronizarea unui ceas biologic cu fazele lunii. „Nu știu un alt sistem care a fost analizat cu acest grad de sofisticare”, a spus biochimistul. Brian Crane de la Universitatea Cornell, care nu a fost implicat în noul studiu.

Astfel de descoperiri ar putea fi relevante pentru fiziologia multor tipuri de creaturi, inclusiv a oamenilor. „Nu avem niciun alt exemplu în care înțelegem aceste mecanisme într-un asemenea detaliu molecular”, a spus Eva Wolf, biochimist la Universitatea Johannes Gutenberg din Mainz din Germania, care este unul dintre co-autorii lucrării. „Aceste studii ne ajută să începem să știm cum pot funcționa oscilatorii luminii lunii și sincronizarea cu fazele lunii.”

Deși astăzi ne trezim mai des cu sunetul unui ceas deșteptător decât cu prima lumină a zorilor, corpurile noastre încă țin timpul cu soarele. La oameni, ca și la multe alte animale, ceasurile biologice sofisticate numite ceasuri circadiene sincronizează ritmurile corpului cu ritmurile zorilor și căderii nopții. Proteinele criptocromatice sunt componente importante ale ceasurilor circadiene ale multor organisme, fie detectând lumina, ca la plante, fie coordonându-se cu alte proteine ​​care o fac, ca la oameni.

Deși de sute de mii de ori mai slabă decât soarele, luna luminează și Pământul într-un program regulat. Un ciclu complet, de la lună nouă la lună plină și înapoi, durează 29.5 zile. Multe organisme, în special diferitele tipuri de viață marină, folosesc acest calendar lunar ca un ceas de încredere. Se știe că coralii, midiile, viermii marini și chiar unii pești își cronometrează activitatea reproductivă pentru a se potrivi cu fazele lunii.

Pentru a-și sincroniza ceasurile circalunare, organismele trebuie să simtă cumva lumina lunii și să o distingă de lumina soarelui, care este în esență același tip de lumină, doar că mult mai intensă. Modul exact în care celulele reușesc să păstreze un calendar lunar - să discearnă nu numai lumina lunii de lumina soarelui, ci și luna plină de luna nouă - este încă în mare parte misterios.

Recent, oamenii de știință au început să se întrebe dacă criptocromii ar putea fi implicați în ceasurile lunare, deoarece acestea sunt în ritmuri circadiene. În 2007, oamenii de știință au descoperit indicii la anumiți corali, care a exprimat proteinele criptocrome mai activ la lumină.

Acum câțiva ani, Wolf s-a alăturat cronobiologului Kristin Tessmar-Raible a laboratoarelor Max Perutz de la Universitatea din Viena să crească P. dumerilii, deoarece își sincronizează reproducerea cu fazele lunii. Ei au demonstrat că un criptocrom cu senzori de lumină numit L-Cry este o piesă critică a ceasului lunar al viermelui. Munca echipei lor, publicată în 2022, a arătat că proteina poate distinge întunericul de lumina soarelui, precum și lumina lunii.

Cu toate acestea, nu a fost clar cum funcționează proteina. De fapt, nici ceasul circalunar al unui singur organism nu a fost înțeles la nivel biochimic.

„A fost destul de trecut cu vederea”, a spus Wolf. „Semnalul acela minor de lumina lunii nu a fost luat în serios. A fost întotdeauna soarele versus întuneric.”

Pentru a afla cum funcționează L-Cry, cercetătorii au vrut să surprindă modul în care structura sa s-a schimbat atunci când a fost expus la lumină. Wolf a transportat proteinele L-Cry ale viermilor la Universitatea din Köln, astfel încât să poată fi fotografiate Elmar BehrmannLaboratorul de biochimie structurală, care este specializat în proteine ​​sensibile, efemere. Însă echipa cu experiență a lui Behrmann s-a luptat ani de zile pentru ca L-Cry să se comporte suficient de bine pentru a fi fotografiată de microscopul lor crio-electron.

Ei nu știau asta în acel moment, dar lumina se strecura în mostre. „Probabil timp de un an și jumătate, când am crezut că lucrăm în întuneric, nu eram suficient de întunecați”, a spus Behrmann. După ce au acoperit fiecare crăpătură a ușii și a clipit LED-ul cu bandă de silicon neagră, au obținut în sfârșit o imagine clară.

In intuneric, P. dumeriliiProteinele L-Cry ale lui se însoțesc ca perechi legate numite dimeri. Când sunt loviți de lumina intensă a soarelui, dimerii se despart din nou în doi monomeri.

Acesta este opusul modului în care criptocromii sensibili la lumină disting lumina soarelui de întunericul din plante, a spus Crane. Criptocromii plantelor se grupează în lumina soarelui și se despart în întuneric.

Forma de lumină a lunii a lui L-Cry nu a fost surprinsă direct în aceste experimente, dar noua înțelegere a structurilor dimerului dezvăluie modul în care L-Cry distinge lumina lunii de lumina soarelui. Forma de lumină a proteinei poate fi creată numai din dimerul întunericului - nu din forma de lumină solară care plutește liber. Acest lucru ajută la explicarea modului în care viermii evită să confunde lumina slabă a zorilor și a amurgului cu lumina lunii.

Deși acest studiu se concentrează pe o singură proteină dintr-un animal, există motive să ne gândim că acest mecanism de sincronizare lunară face parte dintr-o poveste evolutivă care depășește romanțele tragice luminate de lună ale viermelui cu peri. „Este foarte posibil ca și alte tipuri de criptocromi să folosească acest tip de mecanism”, a spus Crane.

Alte animale au cicluri de reproducere lunare, deși nu sunt neapărat legate direct de Lună. Noi, oamenii, de exemplu, avem un ciclu care are aproximativ aceeași lungime ca și ciclul lunar, a spus Tessmar-Raible. „Ciclul menstrual, conform definiției, este un oscilator lunar.”

Orice rol posibil al fazelor lunii în sincronizarea ciclului menstrual uman este extrem de controversat. Chiar și așa, menstruația, lunile și luna ar putea împărtăși mai mult decât rădăcini etimologice. Hormonii viermilor cu peri care se sincronizează cu fazele lunare au veri apropiați la oameni, a spus Tessmar-Raible. „Nu cred că este prea exagerat să spun că viermii pot deschide calea pentru [înțelegerea] timpului lunar de reproducere la oameni.” Poate că ritmurile noastre moderne de 28 de zile sunt resturi evolutive, pietruite împreună din bucăți de ceasuri celulare mai vechi care, într-o mare primordială de mică adâncime, i-au ajutat cândva pe viermii marini să păstreze timpul cu ciclul lunii.

Cuante efectuează o serie de sondaje pentru a servi mai bine publicul nostru. Ia-ne sondaj cititor de biologie și vei fi înscris pentru a câștiga gratuit Cuante mărfuri.