Hur denna marina mask kan skilja Moonglow från solstrålar | Quanta Magazine

En sommarnatt i Neapelbukten simmade horder av maskar uppåt från sjögräset mot vattenytan under ljuset från en avtagande måne. Inte långt innan började varelserna en fruktansvärd sexuell metamorfos: Deras matsmältningssystem vissnade och deras simmuskler växte, medan deras kroppar fylldes med ägg eller spermier. De fingerlånga varelserna, nu lite mer än muskulösa påsar med sexceller, fladdrade till ytan unisont och under några timmar cirklade de runt varandra i en frenetisk bröllopsdans. De släppte ut oräkneliga ägg och spermier i viken - och sedan slutade den månbelysta valsen i maskarnas död.

Den marina borstmasken Platynereis dumerilii får bara en chans att para sig, så den sista dansen borde inte vara solo. För att säkerställa att många maskar samlas samtidigt, synkroniserar arten sin reproduktionstid med månens cykler.

Hur kan en undervattensmask se när månen är som ljusast? Evolutionens svar är en exakt himmelsk klocka lindad av en molekyl som kan känna av månstrålar och synkronisera maskarnas reproduktiva liv till månens faser.

Ingen hade någonsin sett hur en av dessa månskensmolekyler fungerade. Nyligen dock i en studie publicerad i Nature Communications, forskare i Tyskland bestämt de olika strukturerna att ett sådant protein i borstmaskar tar in mörker och solljus. De avslöjade också biokemiska detaljer som hjälper till att förklara hur proteinet skiljer mellan ljusare solstrålar och mjukare moonglow.

Det är första gången som forskare har bestämt molekylstrukturen för något protein som ansvarar för att synkronisera en biologisk klocka med månens faser. "Jag är inte medveten om ett annat system som har tittat på med denna grad av sofistikering," sa biokemisten Brian Crane från Cornell University, som inte var involverad i den nya studien.

Sådana upptäckter kan vara relevanta för fysiologin hos många typer av varelser, inklusive människor. "Vi har inget annat exempel där vi förstår dessa mekanismer i sådan molekylär detalj," sa Eva Wolf, en biokemist vid Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz i Tyskland som är en av medförfattarna till uppsatsen. "Dessa studier hjälper oss att börja veta hur månskensoscillatorer och synkronisering med månens faser kan fungera."

Även om vi i dag vaknar oftare av ljudet från en väckarklocka än av gryningens första ljus, håller våra kroppar fortfarande tid med solen. Hos människor, liksom hos många andra djur, synkroniserar sofistikerade biologiska klockor som kallas dygnsklockor kroppens rytmer till takterna från gryningen och kvällen. Kryptokroma proteiner är viktiga delar av många organismers dygnsklockor, som antingen känner av ljus, som i växter, eller koordinerar med andra proteiner som gör det, som hos människor.

Även om hundratusentals gånger svagare än solen lyser månen också upp jorden på ett regelbundet schema. En hel cykel, från nymåne till fullmåne och tillbaka igen, varar i 29.5 dagar. Många organismer, särskilt olika typer av marint liv, använder denna månkalender som en pålitlig klocka. Koraller, musslor, marina maskar och till och med vissa fiskar är kända för att tajma sin reproduktionsaktivitet så att den matchar månens faser.

För att synkronisera sina cirkalunära klockor måste organismer på något sätt känna månljus och skilja det från solljus, som i huvudsak är samma typ av ljus, bara mycket mer intensivt. Exakt hur celler lyckas hålla en månkalender - att urskilja inte bara månsken från solljus, utan också en fullmåne från en nymåne - är fortfarande till stor del mystiskt.

Nyligen har forskare börjat undra om kryptokromer kan vara inblandade i månklockor, eftersom de är i dygnsrytm. År 2007 fann forskare antydningar i vissa koraller, som uttryckte kryptokromproteiner mer aktivt under ljus.

För några år sedan gick Wolf ihop med kronobiologen Kristin Tessmar-Raible från universitetet i Wiens Max Perutz Labs för att växa P. dumerilii, eftersom den synkroniserar sin reproduktion till månfaser. De bevisade att en ljusavkännande kryptokrom kallad L-Cry är en viktig del av maskens månklocka. Deras teams arbete, publicerades i 2022, visade att proteinet kan skilja mörker från solljus, såväl som månsken.

Det var dock inte klart hur proteinet fungerade. Faktum är att inte en enda organisms cirkulära klocka förstods på biokemisk nivå.

"Det har varit ganska förbisett," sa Wolf. "Den där mindre månskenssignalen har inte tagits på allvar. Det var alltid solen mot mörkret."

För att lära sig hur L-Cry fungerar ville forskarna fånga hur dess struktur förändrades när den exponerades för ljus. Wolf skickade mask L-Cry-proteiner till universitetet i Köln så att de kunde avbildas Elmar Behrmanns strukturellt biokemilabb, som är specialiserat på känsliga, tillfälliga proteiner. Men Behrmanns erfarna team kämpade i flera år för att få L-Cry att bete sig tillräckligt bra för att avbildas av deras kryoelektronmikroskop.

De visste inte om det då, men ljuset smög in i proverna. "Förmodligen i ett och ett halvt år, när vi trodde att vi arbetade i mörkret, var vi inte tillräckligt mörka," sa Behrmann. Efter att ha täckt varje dörrspricka och blinkande lysdiod med svart silikontejp fick de äntligen en tydlig bild.

I mörkret, P. dumeriliis L-Cry-proteiner samlas som bundna par som kallas dimerer. När de träffas av intensivt solljus bryts dimererna isär till två monomerer igen.

Detta är motsatsen till hur ljusavkännande kryptokromer skiljer solljus från mörker i växter, sa Crane. Plantkryptokromer grupperar sig i solljus och bryts isär i mörkret.

L-Crys månskensform fångades inte direkt i dessa experiment, men den nya förståelsen av dimerstrukturerna avslöjar hur L-Cry skiljer månljus från solljus. Månskensformen av proteinet kan skapas endast från mörkrets dimer - inte från den fritt svävande solljusformen. Detta hjälper till att förklara hur maskar undviker att missta det svaga ljuset från gryning och skymning för månsken.

Även om den här studien fokuserar på bara ett protein i ett djur, finns det anledning att tro att denna måntidsmekanism är en del av en evolutionär berättelse som går utöver borstmaskens tragiska månbelysta romanser. "Det är fullt möjligt att andra typer av kryptokromer också använder den här typen av mekanismer," sa Crane.

Andra djur har månatliga reproduktionscykler, även om de inte nödvändigtvis är direkt kopplade till månen. Vi människor, till exempel, har en cykel som är ungefär lika lång som måncykeln, sa Tessmar-Raible. "Menstruationscykeln, per definition, är en månatlig oscillator."

Varje möjlig roll för månfaser i synkroniseringen av den mänskliga menstruationscykeln är höggradigt kontroversiell. Trots det kan mens, månader och månen dela mer än etymologiska rötter. Borstmaskhormonerna som svänger i synk med månens faser har nära kusiner hos människor, sa Tessmar-Raible. "Jag tycker inte att det är för långsökt att säga att maskar kan bana väg för att [förstå] månatlig reproduktionstid hos människor." Kanske är våra moderna 28-dagarsrytmer evolutionära rester, hopsatta av bitar av äldre cellulärt urverk som, i något grunt urhav, en gång hjälpte marina maskar att hålla tiden till månens cykel.

Quanta genomför en serie undersökningar för att bättre betjäna vår publik. Ta vår biologi läsarundersökning och du kommer att delta för att vinna gratis Quanta handelsvaror.