Làm thế nào loài giun biển này có thể nhận biết ánh trăng từ tia nắng | Tạp chí Quanta

Vào một đêm mùa hè ở Vịnh Naples, từng đàn giun bơi từ đám cỏ biển lên mặt nước dưới ánh trăng khuyết. Không lâu trước đó, các sinh vật này bắt đầu một quá trình biến thái giới tính khủng khiếp: Hệ thống tiêu hóa của chúng khô héo, cơ bắp bơi lội phát triển, trong khi cơ thể chúng chứa đầy trứng hoặc tinh trùng. Những sinh vật dài bằng ngón tay, bây giờ chỉ lớn hơn những túi tế bào sinh dục cơ bắp một chút, đồng loạt bay lên mặt nước và trong vài giờ, chúng quấn quanh nhau trong một điệu nhảy cuồng nhiệt của lễ cưới. Chúng thả vô số trứng và tinh trùng vào vịnh - và rồi điệu valse dưới ánh trăng kết thúc bằng cái chết của lũ giun.

Giun lông biển Thú mỏ vịt dumerilii chỉ có một cơ hội để giao phối, vì vậy điệu nhảy cuối cùng của nó tốt nhất không phải là solo. Để đảm bảo nhiều con giun tụ tập cùng một lúc, loài này đồng bộ hóa thời gian sinh sản của nó với chu kỳ của mặt trăng.

Làm thế nào một con sâu dưới đáy biển có thể biết được khi nào mặt trăng sáng nhất? Câu trả lời của sự tiến hóa là một chiếc đồng hồ thiên thể chính xác được quấn bởi một phân tử có thể cảm nhận được tia sáng mặt trăng và đồng bộ hóa đời sống sinh sản của giun với các giai đoạn của mặt trăng.

Chưa ai từng thấy một trong những phân tử ánh trăng này hoạt động như thế nào. Tuy nhiên, gần đây, trong một nghiên cứu được công bố trên Nature Communications, các nhà nghiên cứu ở Đức xác định các cấu trúc khác nhau một loại protein như vậy trong giun lông hấp thụ trong bóng tối và dưới ánh sáng mặt trời. Họ cũng phát hiện ra các chi tiết sinh hóa giúp giải thích cách protein phân biệt giữa tia nắng sáng hơn và ánh trăng dịu hơn.

Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học xác định được cấu trúc phân tử của bất kỳ loại protein nào chịu trách nhiệm đồng bộ hóa đồng hồ sinh học với các giai đoạn của mặt trăng. “Tôi không biết có hệ thống nào khác được nghiên cứu ở mức độ phức tạp như vậy,” nhà hóa sinh nói. Cần cẩu Brian của Đại học Cornell, người không tham gia vào nghiên cứu mới.

Những khám phá như vậy có thể liên quan đến sinh lý học của nhiều loại sinh vật, bao gồm cả con người. “Chúng tôi không có ví dụ nào khác để hiểu các cơ chế này một cách chi tiết đến mức phân tử như vậy,” cho biết. Sói Eva, một nhà hóa sinh tại Đại học Mainz Johannes Gutenberg ở Đức, một trong những đồng tác giả của bài báo. “Những nghiên cứu này giúp chúng tôi bắt đầu biết các bộ dao động ánh trăng và sự đồng bộ hóa với các tuần trăng có thể hoạt động như thế nào.”

Mặc dù ngày nay chúng ta thức dậy thường xuyên hơn vì tiếng chuông đồng hồ báo thức hơn là ánh bình minh đầu tiên, nhưng cơ thể chúng ta vẫn theo kịp thời gian với mặt trời. Ở con người, cũng như ở nhiều loài động vật khác, những chiếc đồng hồ sinh học phức tạp được gọi là đồng hồ sinh học sẽ đồng bộ nhịp điệu của cơ thể với nhịp đập của bình minh và đêm xuống. Protein mã hóa là thành phần quan trọng trong đồng hồ sinh học của nhiều sinh vật, cảm nhận ánh sáng, như ở thực vật, hoặc phối hợp với các protein khác cũng hoạt động như ở người.

Mặc dù mờ hơn mặt trời hàng trăm nghìn lần nhưng mặt trăng cũng chiếu sáng Trái đất theo một lịch trình đều đặn. Một chu kỳ đầy đủ, từ trăng non đến trăng tròn và ngược lại, kéo dài 29.5 ngày. Nhiều sinh vật, đặc biệt là các loại sinh vật biển, sử dụng lịch âm này như một chiếc đồng hồ đáng tin cậy. San hô, trai, giun biển và thậm chí một số loài cá được biết là có thời gian sinh sản phù hợp với các tuần trăng.

Để đồng bộ hóa đồng hồ tuần hoàn của chúng, các sinh vật bằng cách nào đó phải cảm nhận được ánh trăng và phân biệt nó với ánh sáng mặt trời, về cơ bản là cùng một loại ánh sáng, chỉ có cường độ mạnh hơn nhiều. Chính xác làm thế nào các tế bào quản lý để giữ lịch âm - để phân biệt không chỉ ánh trăng với ánh sáng mặt trời, mà cả trăng tròn và trăng non - vẫn còn là điều bí ẩn.

Gần đây, các nhà khoa học bắt đầu tự hỏi liệu cryptochromes có thể liên quan đến đồng hồ mặt trăng hay không, giống như chúng có trong nhịp sinh học. Năm 2007, các nhà khoa học đã tìm thấy gợi ý về một số san hô, biểu hiện protein mật mã tích cực hơn dưới ánh sáng.

Một vài năm trước, Wolf đã hợp tác với nhà sinh vật học thời gian Kristin Tessmar-Raible của Phòng thí nghiệm Max Perutz của Đại học Vienna để phát triển P. dumerilii, vì nó đồng bộ quá trình tái tạo của nó với các tuần trăng. Họ đã chứng minh rằng một loại mật mã cảm nhận ánh sáng có tên L-Cry là một phần quan trọng trong đồng hồ mặt trăng của sâu. Công việc của nhóm họ, công bố trong 2022, cho thấy protein có thể phân biệt bóng tối với ánh sáng mặt trời, cũng như ánh trăng.

Tuy nhiên, vẫn chưa rõ protein này hoạt động như thế nào. Trên thực tế, không có đồng hồ tuần hoàn nào của sinh vật được hiểu ở cấp độ sinh hóa.

“Nó đã bị bỏ qua khá nhiều,” Wolf nói. “Tín hiệu ánh trăng nhỏ đó đã không được coi trọng. Luôn luôn là mặt trời và bóng tối.”

Để tìm hiểu cách thức hoạt động của L-Cry, các nhà nghiên cứu muốn nắm bắt cấu trúc của nó thay đổi như thế nào khi tiếp xúc với ánh sáng. Wolf đã vận chuyển protein L-Cry của sâu đến Đại học Cologne để chúng có thể được chụp ảnh trong Elmar Behrmannphòng thí nghiệm hóa sinh cấu trúc của trường, chuyên về các protein nhạy cảm, phù du. Nhưng nhóm giàu kinh nghiệm của Behrmann đã phải vật lộn trong nhiều năm để khiến L-Cry hoạt động đủ tốt để chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử đông lạnh của họ.

Lúc đó họ không biết rằng ánh sáng đang len lỏi vào các mẫu vật. Behrmann nói: “Có lẽ trong một năm rưỡi, khi chúng tôi nghĩ mình đang làm việc trong bóng tối, chúng tôi chưa đủ tối. Sau khi che từng vết nứt ở ô cửa và đèn LED nhấp nháy bằng băng silicon đen, cuối cùng họ cũng có được một bức ảnh rõ nét.

Trong bóng tối, P. dumeriliiCác protein L-Cry của L-Cry kết hợp thành các cặp liên kết được gọi là dimer. Khi chúng tiếp xúc với ánh nắng gay gắt, các dimer lại tách ra thành hai monome.

Crane cho biết điều này trái ngược với cách các mật mã cảm nhận ánh sáng phân biệt ánh sáng mặt trời với bóng tối ở thực vật. Các nhóm cryptochrome thực vật tập hợp lại dưới ánh sáng mặt trời và tách ra trong bóng tối.

Dạng ánh trăng của L-Cry không được ghi lại trực tiếp trong các thí nghiệm này, nhưng sự hiểu biết mới về cấu trúc mờ hơn cho thấy cách L-Cry phân biệt ánh trăng với ánh sáng mặt trời. Dạng ánh trăng của protein chỉ có thể được tạo ra từ bóng tối mờ hơn - không phải từ dạng ánh sáng mặt trời trôi nổi tự do. Điều này giúp giải thích tại sao sâu tránh nhầm ánh sáng mờ ảo của bình minh và hoàng hôn với ánh trăng.

Mặc dù nghiên cứu này chỉ tập trung vào một loại protein ở một loài động vật, nhưng có lý do để nghĩ rằng cơ chế tính thời gian trên mặt trăng này là một phần của câu chuyện tiến hóa vượt ra ngoài mối tình lãng mạn bi thảm dưới ánh trăng của loài sâu lông. Crane cho biết: “Rất có thể các loại tiền điện tử khác cũng sử dụng loại cơ chế này”.

Các loài động vật khác có chu kỳ sinh sản hàng tháng, mặc dù chúng không nhất thiết phải liên quan trực tiếp đến mặt trăng. Tessmar-Raible cho biết, con người chúng ta có một chu kỳ có độ dài tương đương với chu kỳ mặt trăng. “Theo định nghĩa, chu kỳ kinh nguyệt là một dao động hàng tháng.”

Bất kỳ vai trò nào có thể có của các giai đoạn mặt trăng trong việc đồng bộ hóa chu kỳ kinh nguyệt của con người là cao gây tranh cãi. Mặc dù vậy, kinh nguyệt, tháng và mặt trăng có thể có nhiều điểm chung hơn ngoài nguồn gốc từ nguyên. Tessmar-Raible cho biết, các hormone của giun lông dao động đồng bộ với các giai đoạn của mặt trăng có họ hàng gần gũi ở con người. “Tôi không nghĩ là quá xa vời khi nói rằng giun có thể mở đường cho [sự hiểu biết] về thời gian sinh sản hàng tháng ở con người.” Có lẽ nhịp điệu 28 ngày hiện đại của chúng ta là tàn dư của quá trình tiến hóa, được ghép lại với nhau từ các mảnh của đồng hồ tế bào cũ hơn, ở một vùng biển nguyên thủy nông nào đó, đã từng giúp giun biển theo dõi chu kỳ của mặt trăng.

Quanta đang tiến hành một loạt cuộc khảo sát để phục vụ khán giả của chúng tôi tốt hơn. Lấy của chúng tôi khảo sát độc giả sinh học và bạn sẽ được tham gia để giành chiến thắng miễn phí Quanta hàng hóa.