Как этот морской червь может отличить лунное сияние от солнечных лучей | Журнал Кванта

Летней ночью в Неаполитанском заливе полчища червей плыли вверх от морских водорослей к поверхности воды под светом убывающей луны. Незадолго до этого у существ началась ужасная сексуальная метаморфоза: их пищеварительная система увяла, плавательные мышцы выросли, а тела наполнились яйцеклетками или спермой. Существа длиной с палец, теперь не более чем мускулистые мешки с половыми клетками, дружно выпорхнули на поверхность и в течение нескольких часов кружили друг друга в безумном брачном танце. Они выпустили в залив бесчисленное количество яиц и спермы — и тогда лунный вальс закончился гибелью червей.

Морской щетинистый червь Платинерейс думерилии у него только один шанс спариться, поэтому его финальный танец лучше не соло. Чтобы гарантировать, что множество червей собираются одновременно, этот вид синхронизирует время своего размножения с лунными циклами.

Как подводный червь может определить, когда луна самая яркая? Ответ эволюции — точные небесные часы, заведенные молекулой, которая может чувствовать лунные лучи и синхронизировать репродуктивную жизнь червей с лунными фазами.

Никто никогда не видел, как работает одна из этих молекул лунного света. Однако недавно в исследовании, опубликованном в Природа связи, исследователи из Германии определил различные структуры что один такой белок у щетинковых червей воспринимается как в темноте, так и на солнечном свете. Они также обнаружили биохимические детали, которые помогают объяснить, как белок различает более яркие солнечные лучи и более мягкое лунное сияние.

Впервые ученые определили молекулярную структуру белка, ответственного за синхронизацию биологических часов с фазами Луны. «Мне не известна другая система, на которую бы смотрели с такой степенью сложности», — сказал биохимик. Брайан Крейн из Корнеллского университета, который не принимал участия в новом исследовании.

Подобные открытия могут иметь отношение к физиологии многих видов существ, включая человека. «У нас нет другого примера, когда мы понимаем эти механизмы в таких молекулярных деталях», — сказал он. Ева Вольф, биохимик из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга в Германии, который является одним из соавторов статьи. «Эти исследования помогают нам понять, как могут работать осцилляторы лунного света и синхронизация с фазами Луны».

Хотя сегодня мы чаще просыпаемся от звонка будильника, чем от первых лучей рассвета, наши тела по-прежнему идут в ногу с солнцем. У людей, как и у многих других животных, сложные биологические часы, называемые циркадными часами, синхронизируют ритмы тела с ритмами рассвета и заката. Криптохромные белки являются важными частями циркадных часов многих организмов, либо воспринимая свет, как у растений, либо координируя свои действия с другими белками, которые это делают, как у людей.

Хотя Луна в сотни тысяч раз тусклее Солнца, она также регулярно освещает Землю. Полный цикл от новолуния до полнолуния и обратно длится 29.5 дней. Многие организмы, особенно различные виды морских обитателей, используют этот лунный календарь как надежные часы. Известно, что кораллы, мидии, морские черви и даже некоторые рыбы приурочивают свою репродуктивную активность к фазам Луны.

Чтобы синхронизировать свои окололунные часы, организмы должны каким-то образом ощущать лунный свет и отличать его от солнечного света, который, по сути, представляет собой тот же тип света, только гораздо более интенсивный. Как именно клеткам удается вести лунный календарь — отличать не только лунный свет от солнечного света, но и полнолуние от новолуния — до сих пор остается загадкой.

Недавно ученые начали задаваться вопросом, могут ли криптохромы участвовать в лунных часах, как и в циркадных ритмах. В 2007 году учёные обнаружили намеки на некоторые кораллы, которые более активно экспрессировали криптохромные белки под светом.

Несколько лет назад Вольф присоединился к хронобиологу. Кристин Тессмар-Райбле Лаборатории Макса Перуца Венского университета будут расти P. думерилии, поскольку он синхронизирует свое воспроизведение с фазами Луны. Они доказали, что светочувствительный криптохром под названием L-Cry является важной частью лунных часов червя. Работа их команды, опубликовано в 2022, показали, что белок может отличать темноту от солнечного света, а также от лунного света.

Однако было неясно, как работает белок. Фактически, ни один организм не смог понять циркулунные часы на биохимическом уровне.

«Этот момент совершенно упустили из виду», — сказал Вольф. «Этот незначительный сигнал лунного света не был воспринят всерьез. Всегда было солнце против тьмы».

Чтобы узнать, как работает L-Cry, исследователи хотели понять, как меняется его структура под воздействием света. Вольф отправил белки червя L-Cry в Кёльнский университет, чтобы их можно было визуализировать в Эльмар БерманнЛаборатория структурной биохимии, специализирующаяся на чувствительных эфемерных белках. Но опытная команда Бермана в течение многих лет боролась за то, чтобы L-Cry вел себя достаточно хорошо, чтобы его можно было визуализировать с помощью криоэлектронного микроскопа.

Тогда они этого не знали, но свет проникал в образцы. «Наверное, в течение полутора лет, когда мы думали, что работаем в темноте, нам было недостаточно темно», — сказал Берманн. Заклеив каждую щель в дверном проеме и заморгав светодиодом черной силиконовой лентой, они наконец получили четкое изображение.

Во тьме, П. думерилииБелки L-Cry соединяются в связанные пары, называемые димерами. Под воздействием интенсивного солнечного света димеры снова распадаются на два мономера.

По словам Крэйна, это противоположно тому, как светочувствительные криптохромы отличают солнечный свет от темноты в растениях. Криптохромы растений группируются под воздействием солнечного света и распадаются в темноте.

Форма лунного света L-Cry не была напрямую зафиксирована в этих экспериментах, но новое понимание структур димеров показывает, как L-Cry отличает лунный свет от солнечного света. Лунная форма белка может быть создана только из темного димера, а не из свободно плавающей солнечной формы. Это помогает объяснить, как черви не принимают тусклый свет рассвета и сумерек за лунный свет.

Хотя это исследование сосредоточено только на одном белке у одного животного, есть основания полагать, что этот механизм лунного времени является частью эволюционной истории, выходящей за рамки трагических лунных романов щетинистого червя. «Вполне возможно, что другие типы криптохромов также используют этот тип механизма», — сказал Крейн.

У других животных есть ежемесячные репродуктивные циклы, хотя они не обязательно напрямую связаны с Луной. У нас, людей, например, цикл примерно такой же длины, как и лунный цикл, сказала Тессмар-Райбл. «Менструальный цикл, по определению, представляет собой ежемесячный осциллятор».

Любая возможная роль фаз Луны в синхронизации менструального цикла человека является сомнительной. очень спорный. Тем не менее, менструации, месяцы и луна могут иметь не только этимологические корни. По словам Тессмар-Райбл, гормоны щетинок червей, которые колеблются синхронно с лунными фазами, имеют близких родственников у людей. «Я не думаю, что было бы слишком надуманно сказать, что черви могут проложить путь к пониманию сроков ежемесячного размножения у людей». Возможно, наши современные 28-дневные ритмы — это эволюционные остатки, сложенные из кусочков старого клеточного механизма, который когда-то в каком-то мелком первобытном море помогал морским червям отслеживать ход лунного цикла.

Quanta проводит серию опросов, чтобы лучше обслуживать нашу аудиторию. Возьми наш опрос читателей по биологии и вы будете участвовать в бесплатном выигрыше Quanta товар.