Kako lahko ta morski črv loči mesečino od sončnih žarkov | Revija Quanta

V poletni noči v Neapeljskem zalivu so horde črvov plavale navzgor od morske trave proti vodni gladini pod svetlobo pojemajoče lune. Nedolgo prej so bitja začela grozljivo spolno metamorfozo: njihov prebavni sistem je usahnil, njihove plavalne mišice so zrasle, medtem ko so se njihova telesa polnila z jajčeci ali spermo. Za prste dolga bitja, ki so zdaj le malo več kot mišičaste vrečke spolnih celic, so v sozvočju priplapolala na površje in v nekaj urah krožila drug drugega v divjem poročnem plesu. V zaliv so spustili nešteto jajčec in semenčic - nato pa se je valček ob mesečini končal s smrtjo črvov.

Morski ščetinasti črv Platynereis dumerilii ima samo eno priložnost za parjenje, zato je bolje, da njegov zadnji ples ne bo solo. Da bi zagotovili, da se veliko črvov zbira hkrati, vrsta sinhronizira svoj čas razmnoževanja z luninimi cikli.

Kako lahko podvodni črv ugotovi, kdaj je luna najsvetlejša? Evolucijski odgovor je natančna nebesna ura, ki jo navija molekula, ki lahko zaznava lunine žarke in sinhronizira reproduktivno življenje črvov z luninimi fazami.

Nihče ni nikoli videl, kako deluje ena od teh molekul mesečine. Pred kratkim pa je študija, objavljena v Nature Communications, raziskovalci v Nemčiji določil različne strukture da ena taka beljakovina v ščetinastih črvih zavzame temo in sončno svetlobo. Odkrili so tudi biokemične podrobnosti, ki pomagajo razložiti, kako beljakovina razlikuje med svetlejšimi sončnimi žarki in mehkejšim mesečevim sijem.

To je prvič, da so znanstveniki določili molekularno strukturo katerega koli proteina, odgovornega za sinhronizacijo biološke ure z luninimi fazami. "Ne poznam nobenega drugega sistema, ki bi ga obravnavali s to stopnjo sofisticiranosti," je dejal biokemik Brian Crane Univerze Cornell, ki ni bil vključen v novo študijo.

Takšna odkritja bi lahko bila pomembna za fiziologijo mnogih vrst bitij, vključno z ljudmi. "Nimamo drugega primera, kjer bi razumeli te mehanizme v tako molekularnih podrobnostih," je dejal Eva Volk, biokemik na univerzi Johannes Gutenberg v Mainzu v Nemčiji, ki je eden od soavtorjev prispevka. "Te študije nam pomagajo spoznati, kako lahko delujejo oscilatorji mesečine in sinhronizacija z luninimi fazami."

Čeprav se danes pogosteje zbudimo ob zvonjenju budilke kot ob prvi zori, naša telesa še vedno ohranjajo čas s soncem. Pri ljudeh, tako kot pri mnogih drugih živalih, sofisticirane biološke ure, imenovane cirkadiane ure, sinhronizirajo telesne ritme z utripi zore in noči. Proteini kriptokroma so pomembni deli cirkadianih ur mnogih organizmov, bodisi zaznavajo svetlobo, kot pri rastlinah, bodisi se usklajujejo z drugimi beljakovinami, ki jo, kot pri ljudeh.

Čeprav je več sto tisočkrat šibkejša od sonca, tudi luna osvetljuje Zemljo po rednem urniku. Celoten cikel, od mlaja do polne lune in nazaj, traja 29.5 dni. Mnogi organizmi, zlasti različne vrste morskega življenja, uporabljajo ta lunin koledar kot zanesljivo uro. Znano je, da korale, školjke, morski črvi in ​​celo nekatere ribe merijo svojo reproduktivno aktivnost tako, da se ujema z luninimi minami.

Da bi uskladili svoje cirkalunarne ure, morajo organizmi nekako zaznati mesečino in jo razlikovati od sončne svetlobe, ki je v bistvu ista vrsta svetlobe, le da je veliko bolj intenzivna. Natančno, kako celicam uspe ohraniti lunin koledar - da ločijo ne le mesečino od sončne svetlobe, ampak tudi polno luno od mlaja - je še vedno v veliki meri skrivnostno.

Pred kratkim so se znanstveniki začeli spraševati, ali so kriptokromi morda vpleteni v lunine ure, saj so v cirkadianih ritmih. Leta 2007 so znanstveniki ugotovili namigi v nekaterih koralah, ki je bolj aktivno izražal kriptokromne proteine ​​pod svetlobo.

Pred nekaj leti se je Wolf pridružil kronobiologu Kristin Tessmar-Raible Max Perutz Labs Univerze na Dunaju za rast P. dumerilii, saj sinhronizira svojo reprodukcijo z luninimi fazami. Dokazali so, da je kriptokrom, ki zaznava svetlobo, imenovan L-Cry, pomemben del lunarne ure črva. Delo njihove ekipe, objavljeno v 2022, je pokazala, da lahko beljakovina loči temo od sončne svetlobe, pa tudi mesečino.

Vendar ni bilo jasno, kako je beljakovina delovala. Pravzaprav nobena cirkalunarna ura enega organizma ni bila razumljena na biokemični ravni.

"To je bilo precej spregledano," je dejal Wolf. »Tistega manjšega signala mesečine nismo vzeli resno. Vedno je bilo sonce proti temi.”

Da bi izvedeli, kako deluje L-Cry, so raziskovalci želeli ujeti, kako se je spremenila njegova struktura, ko je bil izpostavljen svetlobi. Wolf je beljakovine črva L-Cry poslal na univerzo v Kölnu, da bi jih lahko slikali Elmar BehrmannLaboratorija za strukturno biokemijo, ki je specializiran za občutljive, kratkotrajne proteine. Toda Behrmannova izkušena ekipa se je leta trudila, da bi se L-Cry obnašal dovolj dobro, da bi ga posnel njihov krioelektronski mikroskop.

Tega takrat še niso vedeli, a svetloba se je prikradla v vzorce. "Verjetno leto in pol, ko smo mislili, da delamo v temi, nismo bili dovolj temni," je dejal Behrmann. Potem ko so prekrili vsako špranjo na vratih in utripajočo LED s črnim silikonskim trakom, so končno dobili jasno sliko.

V temi, P. dumeriliiProteini L-Cry se povezujejo kot vezani pari, imenovani dimeri. Ko jih zadene močna sončna svetloba, se dimeri spet razpadejo na dva monomera.

To je nasprotje od tega, kako kriptokromi, ki zaznavajo svetlobo, ločijo sončno svetlobo od teme v rastlinah, je dejal Crane. Rastlinski kriptokromi se združujejo na sončni svetlobi in razpadajo v temi.

Oblika mesečine L-Cry v teh poskusih ni bila neposredno zajeta, vendar novo razumevanje dimernih struktur razkriva, kako L-Cry loči mesečino od sončne svetlobe. Mesečevo obliko proteina je mogoče ustvariti samo iz temnega dimerja - ne iz prosto lebdeče oblike sončne svetlobe. To pomaga razložiti, kako se črvi izognejo zamenjavi medle svetlobe zore in mraka za mesečino.

Čeprav se ta študija osredotoča samo na eno beljakovino v eni živali, obstaja razlog za domnevo, da je ta lunarni časovni mehanizem del evolucijske zgodbe, ki presega tragične mesečne romance ščetinastega črva. "Povsem možno je, da tudi druge vrste kriptokromov uporabljajo to vrsto mehanizma," je dejal Crane.

Druge živali imajo mesečne reproduktivne cikle, čeprav niso nujno neposredno povezane z luno. Ljudje imamo na primer cikel, ki je približno enako dolg kot lunin cikel, je dejal Tessmar-Raible. "Menstrualni cikel je po definiciji mesečni oscilator."

Vsaka možna vloga luninih faz pri sinhronizaciji človeškega menstrualnega cikla je zelo sporen. Kljub temu si lahko menstruacija, meseci in luna delijo več kot le etimološke korenine. Hormoni ščetin, ki nihajo v skladu z luninimi fazami, imajo pri ljudeh bližnje sorodnike, je dejal Tessmar-Raible. "Mislim, da ni pretirano reči, da lahko črvi utrejo pot [razumevanju] mesečnega reproduktivnega časa pri ljudeh." Morda so naši sodobni 28-dnevni ritmi evolucijski ostanki, sestavljeni iz koščkov starejšega celičnega urnega mehanizma, ki je v nekem plitvem prvobitnem morju nekoč pomagal morskim črvom ohranjati čas glede na lunin cikel.

Quanta izvaja vrsto anket, da bi bolje služil svojemu občinstvu. Vzemite našo anketa bralcev biologije in vključeni boste v brezplačno zmago Quanta trgovsko blago.