Як цей морський черв'як може відрізнити місячне сяйво від сонячних променів | Журнал Quanta

Однієї літньої ночі в Неаполітанській затоці натовпи хробаків пливли вгору від морської трави до поверхні води під світлом спадаючого місяця. Незадовго до цього у цих істот почалася жахлива статева метаморфоза: їхня травна система зникла, плавальні м’язи зросли, а тіла наповнилися яйцями або спермою. Істоти завдовжки з палець, тепер трохи більше ніж мускулисті мішечки статевих клітин, вилетіли на поверхню в унісон і протягом кількох годин кружляли одне над одним у шаленому весільному танці. Вони випустили незліченну кількість яйцеклітин і сперматозоїдів у бухту — і тоді місячний вальс закінчився смертю хробаків.

Морський щетинник Platynereis dumerilii отримує лише один шанс спаровуватися, тому його останній танець не повинен бути сольним. Щоб переконатися, що багато черв’яків збираються одночасно, цей вид синхронізує час розмноження з місячними циклами.

Як підводний хробак може визначити, коли місяць найяскравіший? Відповіддю еволюції є точний небесний годинник, наведений молекулою, яка може сприймати місячні промені та синхронізувати репродуктивне життя хробаків із місячними фазами.

Ніхто ніколи не бачив, як працює одна з цих молекул місячного світла. Однак нещодавно в дослідженні, опублікованому в Природа зв'язку, дослідники в Німеччині визначив різні структури що один такий білок у щетинкових хробаків сприймає темряву та сонячне світло. Вони також виявили біохімічні деталі, які допомагають пояснити, як білок розрізняє яскравіші сонячні промені та м’якше сяйво місяця.

Це перший раз, коли вчені визначили молекулярну структуру будь-якого білка, відповідального за синхронізацію біологічного годинника з фазами Місяця. «Я не знаю жодної іншої системи, на яку б дивилися з таким ступенем витонченості», — сказав біохімік. Браян Крейн Корнельського університету, який не брав участі в новому дослідженні.

Такі відкриття можуть мати відношення до фізіології багатьох видів істот, включаючи людей. «У нас немає іншого прикладу, де ми розуміємо ці механізми в таких молекулярних деталях», — сказав Єва Вольф, біохімік з Університету Йоганна Гутенберга в Майнці в Німеччині, який є одним із співавторів статті. «Ці дослідження допомагають нам зрозуміти, як можуть працювати осцилятори місячного світла та синхронізація з фазами місяця».

Хоча сьогодні ми частіше прокидаємося від дзвінка будильника, ніж від перших світанків, наші тіла все одно збігаються з сонцем. У людей, як і в багатьох інших тварин, складні біологічні годинники, які називаються циркадними годинниками, синхронізують ритми тіла з ритмами світанку та настання ночі. Білки криптохрому є важливими елементами циркадного годинника багатьох організмів, вони або сприймають світло, як у рослин, або координуються з іншими білками, які це роблять, як у людей.

Хоча Місяць у сотні тисяч разів слабший за Сонце, він також освітлює Землю за регулярним графіком. Повний цикл, від молодика до повного місяця і назад, триває 29.5 днів. Багато організмів, особливо різні види морського життя, використовують цей місячний календар як надійний годинник. Відомо, що корали, мідії, морські черв’яки та навіть деякі риби розраховують час своєї репродуктивної активності відповідно до фаз місяця.

Щоб синхронізувати свій місячний годинник, організми повинні якимось чином відчувати місячне світло та відрізняти його від сонячного світла, яке, по суті, є таким же типом світла, тільки набагато інтенсивніше. Як саме клітинам вдається підтримувати місячний календар — відрізняти не лише місячне світло від сонячного, а й повний місяць від молодика — все ще залишається загадковим.

Нещодавно вчені почали задаватися питанням, чи можуть криптохроми бути задіяні в місячних годинниках, оскільки вони є в циркадних ритмах. У 2007 році вчені виявили натяки на певні корали, які більш активно експресували білки криптохрому під світлом.

Кілька років тому Вольф приєднався до хронобіолога Крістін Тессмар-Рейбл Лабораторії Макса Перутца Віденського університету розвиватися P. dumerilii, оскільки він синхронізує своє відтворення з фазами місяця. Вони довели, що світлочутливий криптохром під назвою L-Cry є важливою частиною місячного годинника хробака. Робота їх команди, опублікованій в 2022, показав, що білок може відрізняти темряву від сонячного, а також місячного світла.

Однак було незрозуміло, як білок працює. Фактично, місячний годинник жодного організму не був зрозумілий на біохімічному рівні.

«Про це не помітили», — сказав Вольф. «Цей незначний сигнал місячного світла не сприйняли серйозно. Це завжди було сонце проти темряви».

Щоб дізнатися, як працює L-Cry, дослідники хотіли відобразити, як змінюється його структура під впливом світла. Wolf відправив білки L-Cry хробаків до Кельнського університету, щоб їх можна було відобразити Ельмар Берманнлабораторії структурної біохімії, яка спеціалізується на чутливих ефемерних білках. Але досвідчена команда Behrmann роками боролася, щоб змусити L-Cry поводитись достатньо добре, щоб його було зображено їхнім кріоелектронним мікроскопом.

У той час вони цього не знали, але світло проникало в зразки. «Напевно, протягом півтора років, коли ми думали, що працюємо в темряві, нам було недостатньо темно», — сказав Берманн. Закривши кожну щілину дверного отвору та блимаючи світлодіодами чорною силіконовою стрічкою, вони нарешті отримали чітке зображення.

В темно, P. dumeriliiБілки L-Cry дружать у вигляді зв’язаних пар, які називаються димерами. Коли на них потрапляє інтенсивне сонячне світло, димери знову розпадаються на два мономери.

Це протилежно тому, як світлочутливі криптохроми відрізняють сонячне світло від темряви в рослинах, сказав Крейн. Рослинні криптохроми групуються при сонячному світлі і розпадаються в темряві.

Форма місячного світла L-Cry не була безпосередньо зафіксована в цих експериментах, але нове розуміння структур димерів показує, як L-Cry відрізняє місячне світло від сонячного. Місячна форма білка може бути створена лише з димера темряви, а не з вільно плаваючої форми сонячного світла. Це допомагає пояснити, як хробаки не приймають тьмяне світло світанку та сутінків за місячне.

Хоча це дослідження зосереджено лише на одному білку в одній тварині, є підстави думати, що цей механізм місячного часу є частиною еволюційної історії, яка виходить за рамки трагічних місячних романів щетинистого хробака. «Цілком можливо, що інші типи криптохромів також використовують цей тип механізму», — сказав Крейн.

Інші тварини мають місячні репродуктивні цикли, хоча вони не обов’язково пов’язані безпосередньо з Місяцем. Наприклад, ми, люди, маємо цикл, який має приблизно таку ж довжину, що й місячний цикл, сказав Тессмар-Рейбл. «За визначенням, менструальний цикл є місячним коливачем».

Будь-яка можлива роль фаз місяця в синхронізації менструального циклу людини дуже спірний. Незважаючи на це, менструації, місяці та місяць можуть мати не тільки етимологічні корені. Гормони щетинистих черв’яків, які коливаються синхронно з місячними фазами, мають близьких родичів у людей, сказав Тессмар-Рейбл. «Я не думаю, що це надто надумано сказати, що черв’яки можуть прокласти шлях до [розуміння] місячних репродуктивних термінів у людей». Можливо, наші сучасні 28-денні ритми – це залишки еволюції, зібрані разом із шматочків давнішого клітинного годинникового механізму, який у якомусь мілкому первісному морі колись допомагав морським черв’якам стежити за місячним циклом.

Quanta проводить серію опитувань, щоб краще обслуговувати нашу аудиторію. Візьміть наші опитування читачів з біології і ви будете введені, щоб виграти безкоштовно Quanta товар