หนอนทะเลนี้สามารถบอกแสงจันทร์จากแสงตะวันได้อย่างไร | นิตยสารควอนต้า

ในคืนฤดูร้อนในอ่าวเนเปิลส์ ฝูงหนอนว่ายขึ้นจากหญ้าทะเลไปยังผิวน้ำภายใต้แสงของพระจันทร์ข้างแรม ไม่นานมานี้ สิ่งมีชีวิตเหล่านี้เริ่มมีการเปลี่ยนแปลงทางเพศที่น่าสยดสยอง: ระบบย่อยอาหารของพวกมันเหี่ยวเฉา และกล้ามเนื้อว่ายน้ำของพวกมันก็เติบโตขึ้น ในขณะที่ร่างกายของพวกมันเต็มไปด้วยไข่หรือสเปิร์ม สิ่งมีชีวิตที่มีความยาวเพียงนิ้วเดียว ซึ่งบัดนี้มีขนาดมากกว่าถุงเซลล์ทางเพศที่มีกล้ามเนื้อเพียงเล็กน้อย ก็กระพือขึ้นสู่ผิวน้ำพร้อมเพรียงกัน และในเวลาไม่กี่ชั่วโมง ก็ได้โคจรรอบกันและกันในการเต้นรำวิวาห์อย่างบ้าคลั่ง พวกมันปล่อยไข่และสเปิร์มจำนวนนับไม่ถ้วนลงไปในอ่าว จากนั้นเพลงวอลทซ์ใต้แสงจันทร์ก็จบลงด้วยการตายของหนอน

หนอนขนทะเล Platynereis dumerilii มีโอกาสผสมพันธุ์เพียงครั้งเดียว ดังนั้นการเต้นรำครั้งสุดท้ายจึงไม่ควรเต้นเดี่ยว เพื่อให้แน่ใจว่าหนอนจำนวนมากมารวมตัวกันในเวลาเดียวกัน สายพันธุ์นี้จะประสานเวลาการสืบพันธุ์กับวัฏจักรของดวงจันทร์

หนอนใต้ทะเลจะบอกได้อย่างไรว่าดวงจันทร์สว่างที่สุดเมื่อใด? คำตอบของวิวัฒนาการคือนาฬิกาบนท้องฟ้าที่แม่นยำซึ่งพันด้วยโมเลกุลที่สามารถรับรู้แสงดวงจันทร์และประสานชีวิตการสืบพันธุ์ของหนอนกับข้างจันทรคติ

ไม่มีใครเคยเห็นมาก่อนว่าโมเลกุลแสงจันทร์ตัวใดตัวหนึ่งทำงานอย่างไร อย่างไรก็ตาม เมื่อเร็ว ๆ นี้ ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ใน การสื่อสารธรรมชาตินักวิจัยจากประเทศเยอรมนี กำหนดโครงสร้างต่างๆ โปรตีนชนิดหนึ่งในหนอนขนแข็งจะดูดซับในความมืดและแสงแดด พวกเขายังค้นพบรายละเอียดทางชีวเคมีที่ช่วยอธิบายว่าโปรตีนแยกแยะระหว่างแสงตะวันที่สว่างกว่าและแสงจันทร์ที่นุ่มนวลกว่าได้อย่างไร

นี่เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ได้ระบุโครงสร้างโมเลกุลของโปรตีนใดๆ ที่มีหน้าที่ประสานนาฬิกาชีวภาพกับระยะต่างๆ ของดวงจันทร์ “ผมไม่ทราบว่ามีระบบอื่นใดที่ถูกมองด้วยความซับซ้อนขนาดนี้” นักชีวเคมีกล่าว ไบรอัน เครน ของมหาวิทยาลัยคอร์เนล ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาวิจัยครั้งใหม่นี้

การค้นพบดังกล่าวอาจเกี่ยวข้องกับสรีรวิทยาของสิ่งมีชีวิตหลายชนิด รวมถึงมนุษย์ด้วย "เราไม่มีตัวอย่างอื่นที่เราเข้าใจกลไกเหล่านี้ในรายละเอียดระดับโมเลกุลเช่นนี้" กล่าว อีวา วูล์ฟนักชีวเคมีจากมหาวิทยาลัย Johannes Gutenberg แห่งไมนซ์ในประเทศเยอรมนี ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ร่วมเขียนบทความนี้ “การศึกษาเหล่านี้ช่วยให้เราเริ่มรู้ว่าเครื่องกำเนิดแสงจันทร์และการซิงโครไนซ์กับข้างขึ้นข้างแรมสามารถทำงานได้อย่างไร”

แม้ว่าวันนี้เราจะตื่นเพราะเสียงนาฬิกาปลุกดังกว่าเช้าตรู่ แต่ร่างกายของเราก็ยังคงรักษาเวลาไว้กับดวงอาทิตย์ ในมนุษย์ เช่นเดียวกับในสัตว์อื่นๆ นาฬิกาชีวภาพที่ซับซ้อนซึ่งเรียกว่านาฬิกาเซอร์คาเดียนจะประสานจังหวะของร่างกายเข้ากับจังหวะรุ่งสางและพลบค่ำ โปรตีน Cryptochrome เป็นส่วนสำคัญของนาฬิกาชีวภาพของสิ่งมีชีวิตหลายชนิด ไม่ว่าจะเป็นการตรวจจับแสงเช่นเดียวกับในพืช หรือการประสานงานกับโปรตีนอื่นๆ ที่ทำ เช่นเดียวกับในมนุษย์

แม้จะจางกว่าดวงอาทิตย์หลายแสนเท่า แต่ดวงจันทร์ก็ยังส่องสว่างโลกตามเวลาปกติ วงจรเต็มดวงตั้งแต่พระจันทร์ขึ้นถึงพระจันทร์เต็มดวงและกลับมาอีกครั้งใช้เวลา 29.5 วัน สิ่งมีชีวิตหลายชนิด โดยเฉพาะสัตว์ทะเลชนิดต่างๆ ใช้ปฏิทินจันทรคตินี้เป็นนาฬิกาที่เชื่อถือได้ เป็นที่รู้กันว่าปะการัง หอยแมลงภู่ หนอนทะเล และแม้กระทั่งปลาบางชนิดจะจับเวลาการสืบพันธุ์ของพวกมันให้สอดคล้องกับข้างขึ้นข้างแรม

ในการประสานนาฬิกาวงกลมของมัน สิ่งมีชีวิตจะต้องรับรู้ถึงแสงจันทร์และแยกแยะมันออกจากแสงแดด ซึ่งเป็นแสงประเภทเดียวกัน แต่มีความเข้มมากกว่ามาก วิธีการที่เซลล์ต่างๆ จัดการปฏิทินจันทรคติเพื่อแยกแยะไม่เพียงแต่แสงจันทร์จากแสงแดด แต่ยังรวมถึงพระจันทร์เต็มดวงจากพระจันทร์ใหม่ด้วย ยังคงเป็นเรื่องลึกลับอย่างมาก

เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์เริ่มสงสัยว่า cryptochromes อาจเกี่ยวข้องกับนาฬิกาดวงจันทร์หรือไม่ เนื่องจากพวกมันอยู่ในจังหวะเซอร์คาเดียน ในปี พ.ศ. 2007 นักวิทยาศาสตร์พบว่า บ่งบอกถึงปะการังบางชนิดซึ่งแสดงโปรตีน cryptochrome อย่างแข็งขันมากขึ้นภายใต้แสง

เมื่อไม่กี่ปีก่อน Wolf ได้เข้าร่วมกับนักโครโนชีววิทยา คริสติน เทสมาร์-ไรเบิล ของ Max Perutz Labs ของมหาวิทยาลัยเวียนนาให้เติบโต P. ดูเมอริลี, เนื่องจากมันซิงค์การสร้างภาพกับข้างขึ้นข้างแรม พวกเขาพิสูจน์ว่า cryptochrome ตรวจจับแสงที่เรียกว่า L-Cry เป็นส่วนสำคัญของนาฬิกาจันทรคติของหนอน งานของทีมของพวกเขา ตีพิมพ์ใน 2022พบว่าโปรตีนสามารถแยกแยะความมืดออกจากแสงแดดและแสงจันทร์ได้

อย่างไรก็ตาม ยังไม่ชัดเจนว่าโปรตีนทำงานอย่างไร ในความเป็นจริง ในระดับชีวเคมีไม่เข้าใจนาฬิกาวงกลมของสิ่งมีชีวิตเพียงตัวเดียว

“มันถูกมองข้ามไปมาก” วูล์ฟกล่าว “สัญญาณแสงจันทร์เล็กๆ น้อยๆ นั้นไม่ได้ถูกนำมาพิจารณาอย่างจริงจัง มันเป็นดวงอาทิตย์เสมอกับความมืด”

เพื่อเรียนรู้วิธีการทำงานของ L-Cry นักวิจัยต้องการจับภาพว่าโครงสร้างของมันเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อสัมผัสกับแสง Wolf ส่งโปรตีน L-Cry จากหนอนไปยังมหาวิทยาลัยโคโลญจน์เพื่อให้สามารถถ่ายภาพพวกมันได้ เอลมาร์ แบร์มันน์ห้องปฏิบัติการชีวเคมีเชิงโครงสร้างของ ซึ่งเชี่ยวชาญด้านโปรตีนที่ละเอียดอ่อนและชั่วคราว แต่ทีมงานที่มีประสบการณ์ของ Behrmann พยายามดิ้นรนเป็นเวลาหลายปีเพื่อให้ L-Cry ทำงานได้ดีพอที่จะถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเย็นจัด

ตอนนั้นพวกเขาไม่รู้ แต่มีแสงแอบเข้าไปในตัวอย่าง “อาจเป็นเวลาหนึ่งปีครึ่ง เมื่อเราคิดว่าเรากำลังทำงานในความมืด เรายังมืดไม่พอ” Behrmann กล่าว หลังจากปิดรอยแตกร้าวที่ทางเข้าประตูทุกจุดและไฟ LED กระพริบด้วยเทปซิลิกอนสีดำ พวกเขาก็เห็นภาพที่ชัดเจนในที่สุด

ในที่มืด, P. dumeriliiโปรตีน L-Cry ของ L-Cry รวมตัวกันเป็นคู่ที่ถูกผูกไว้เรียกว่าไดเมอร์ เมื่อโดนแสงแดดจ้า ตัวหรี่แสงจะแยกตัวออกเป็นโมโนเมอร์สองตัวอีกครั้ง

สิ่งนี้ตรงกันข้ามกับวิธีที่ cryptochromes รับรู้แสงบอกแสงแดดจากความมืดในพืช Crane กล่าว ปลูกพืช cryptochromes ไว้เป็นกลุ่มเมื่อโดนแสงแดดและแตกตัวในความมืด

รูปแบบของแสงจันทร์ของ L-Cry ไม่ได้ถูกบันทึกโดยตรงในการทดลองเหล่านี้ แต่ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับโครงสร้าง dimer เผยให้เห็นว่า L-Cry แยกแยะแสงจันทร์จากแสงแดดได้อย่างไร โปรตีนรูปแบบแสงจันทร์สามารถสร้างขึ้นได้จากตัวหรี่แสงความมืดเท่านั้น ไม่ใช่จากรูปแบบแสงแดดที่ลอยอย่างอิสระ สิ่งนี้ช่วยอธิบายว่าหนอนหลีกเลี่ยงแสงสลัวของรุ่งเช้าและค่ำเป็นแสงจันทร์ได้อย่างไร

แม้ว่าการศึกษานี้จะมุ่งเน้นไปที่โปรตีนเพียงตัวเดียวในสัตว์ตัวเดียว แต่ก็มีเหตุผลให้คิดว่ากลไกการจับเวลาบนดวงจันทร์นี้เป็นส่วนหนึ่งของเรื่องราววิวัฒนาการที่นอกเหนือไปจากความโรแมนติกใต้แสงจันทร์อันน่าเศร้าของหนอนขนแข็ง “ค่อนข้างเป็นไปได้ที่ cryptochromes ประเภทอื่น ๆ ก็ใช้กลไกประเภทนี้เช่นกัน” Crane กล่าว

สัตว์อื่นๆ มีวงจรการสืบพันธุ์ทุกเดือน แม้ว่าพวกมันจะไม่ได้เชื่อมโยงกับดวงจันทร์โดยตรงก็ตาม ตัวอย่างเช่น มนุษย์เรามีวัฏจักรที่มีความยาวเท่ากับวัฏจักรของดวงจันทร์ Tessmar-Raible กล่าว “รอบประจำเดือนตามคำจำกัดความ เป็นตัวแกว่งรายเดือน”

บทบาทที่เป็นไปได้สำหรับข้างขึ้นข้างแรมในการประสานรอบประจำเดือนของมนุษย์คือ อย่างสูง แย้ง. ถึงกระนั้น ประจำเดือน เดือน และดวงจันทร์ก็สามารถมีมากกว่ารากเหง้าทางนิรุกติศาสตร์ เทสมาร์-ไรเบิลกล่าวว่าฮอร์โมนหนอนขนแปรงที่แกว่งไปพร้อมกับข้างขึ้นข้างแรมนั้นมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกันในมนุษย์ “ฉันไม่คิดว่ามันเกินความจริงที่จะบอกว่าหนอนอาจปูทางไปสู่ ​​[ความเข้าใจ] ระยะเวลาการสืบพันธุ์ในแต่ละเดือนในมนุษย์” บางทีจังหวะ 28 วันที่ทันสมัยของเราอาจเป็นของเหลือจากวิวัฒนาการที่ปูเข้าด้วยกันจากชิ้นส่วนของกลไกนาฬิกาเซลลูล่าร์เก่าๆ ซึ่งครั้งหนึ่งในทะเลตื้นเขินเคยช่วยให้หนอนทะเลรักษาเวลาในวงจรของดวงจันทร์ได้

ควอนตั้ม กำลังดำเนินการสำรวจชุดต่างๆ เพื่อให้บริการผู้ชมของเราได้ดียิ่งขึ้น เอาของเรา แบบสำรวจผู้อ่านชีววิทยา และคุณจะถูกป้อนเพื่อรับรางวัลฟรี ควอนตั้ม สินค้า.