Bolehkah Pencemaran Alam Sekitar mengganggu Irama Circadian kami?

Bolehkah Pencemaran Alam Sekitar mengganggu Irama Circadian kami?Jalan salut di Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA

Setiap musim sejuk, kerajaan tempatan di seluruh Amerika Syarikat memohon jutaan tan garam jalanan untuk memastikan jalan-jalan dilayari semasa ribut salji dan ais. Runoff dari salji lebat membawa garam jalan ke sungai dan tasik, dan menyebabkan banyak mayat air menjadi sangat luar biasa kemasinan yang tinggi.

Di Rensselaer Polytechnic Institute, rakan sekerja saya Rick Relyea dan makmalnya berfungsi untuk mengukur bagaimana peningkatan kemasinan mempengaruhi ekosistem. Tidak menghairankan, mereka mendapati bahawa kemasinan yang tinggi mempunyai kesan negatif terhadap banyak spesies. Mereka juga mendapati bahawa sesetengah spesies mempunyai keupayaan untuk mengatasi peningkatan salinitas ini.

Tetapi keupayaan ini datang pada harga. Dalam kajian baru-baru ini, Rick dan saya menganalisis bagaimana spesies zooplankton biasa, Daphnia pulpa, menyesuaikan diri dengan peningkatan tahap garam jalan. Kami mendapati pendedahan ini menjejaskan irama biologi yang penting: Jam circadian, yang boleh memerintah Daphniapemakanan dan perilaku mengelakkan predasi. Memandangkan banyak mangsa menjadi mangsa Daphnia, kesan ini boleh meresap di seluruh ekosistem keseluruhan. Kerja kita juga menimbulkan persoalan sama ada garam, atau bahan pencemar alam sekitar lain, boleh memberi impak yang sama pada jam circadian manusia.

Irama biologi harian dan jam circadian

Dalam mengkaji bagaimana garam jalanan menjejaskan ekosistem akuatik, makmal Relyea menunjukkan bahawa Daphnia pulpa boleh menyesuaikan diri untuk mengendalikan pendedahan sederhana dalam masa dua setengah bulan. Tahap-tahap ini adalah dari milenium 15 klorida (blok bangunan garam) seliter air ke tinggi miligram 1,000 seliter - tahap yang terdapat di tasik-tasik yang sangat tercemar di Amerika Utara.

Walau bagaimanapun, keupayaan organisma untuk menyesuaikan diri dengan sesuatu di dalam persekitarannya juga boleh disertai oleh pertukaran negatif. Kerjasama makmal saya dengan Rick bermula dalam usaha untuk mengenal pasti pertukaran ini dalam garam yang disesuaikan Daphnia.

In makmal saya, kita mengkaji bagaimana irama sirkadian kita membolehkan kami menjejaki masa. Kami menyiasat bagaimana molekul-molekul dalam sel-sel kita berfungsi bersama untuk menandakan seperti jam. Ritme circadian ini membolehkan organisme untuk menjangka ayunan 24-jam dalam persekitarannya, seperti perubahan dari cahaya (siang hari) hingga gelap (waktu malam), dan penting untuk kecergasan organisma.

Rick dan saya menyimpulkan bahawa penyesuaian kepada kemasinan yang tinggi boleh mengganggu Daphnia's irama sirkadian berdasarkan bukti baru-baru ini menunjukkan bahawa pencemaran alam sekitar yang lain boleh mengganggu tingkah laku circadian. Satu tingkah laku penting dalam Daphnia Bahawa boleh dikawal oleh jam circadian adalah penghijrahan menegak diel - penghijrahan biomas harian terbesar di Bumi, yang berlaku di lautan, teluk dan tasik. Plankton dan ikan berhijrah ke air lebih dalam pada siang hari untuk mengelakkan pemangsa dan kerosakan matahari, dan kembali ke permukaan pada waktu malam untuk memberi makan.

Memandangkan apa yang kita tahu mengenai fungsi sirkadian, adalah logik untuk mengandaikan bahawa pendedahan kepada pencemaran tidak akan menjejaskan irama circadian organisma. Walaupun jam sirkadian boleh memasukkan maklumat alam sekitar untuk memberitahu masa hari, mereka berada sangat buffered terhadap kebanyakan kesan persekitaran.

Untuk memahami pentingnya penyekatan ini, bayangkan bahawa masa panjang harian organisma bertindak balas terhadap suhu persekitaran. Heat mempercepat tindak balas molekul, sehingga pada hari-hari panas ritme 24-jam organisme dapat menjadi jam 20, dan pada hari-hari dingin mungkin menjadi jam 28. Intinya, organisma mempunyai termometer, bukan jam.

Adaptasi kepada pencemaran mempengaruhi gen circadian utama

Untuk menentukan sama ada gangguan jam adalah peralihan kepada penyesuaian bahan pencemar, kita perlu terlebih dahulu menetapkannya Daphnia ditadbir oleh jam circadian. Untuk melakukan ini, kami mengenal pasti gen dalam Daphnia yang sama dengan dua gen, dikenali sebagai tempoh dan jam, dalam organisma yang berfungsi sebagai sistem model circadian: Drosophila melanogaster, lalat buah biasa.

Kami mengesan tahap tempoh dan jam in Daphnia, menjaga organisma dalam kegelapan berterusan untuk memastikan bahawa rangsangan cahaya tidak menjejaskan tahap ini. Data kami menunjukkan bahawa tahap tempoh dan jam bervariasi dari masa ke masa dengan irama 24-jam - petunjuk jelas bahawa Daphnia mempunyai jam circadian yang berfungsi.

Kami juga mengesan gen yang sama dalam populasi Daphnia yang telah disesuaikan dengan peningkatan salinitas. Banyak yang mengejutkan saya, kami mendapati bahawa variasi harian tempoh dan jam tahap merosot terus dengan tahap kemasinan Daphnia telah disesuaikan dengan. Dalam erti kata lain, sebagai Daphnia disesuaikan dengan tahap kemasinan yang lebih tinggi, mereka menunjukkan kurang variasi dalam tahap tempoh dan jam sepanjang hari. Ini menunjukkan bahawa Daphniajam telah terjejas oleh pendedahan pencemaran.

Daphnia dan plankton lain adalah antara organisma yang paling banyak di Bumi dan memainkan peranan ekologi kritikal.

Pada masa ini, kami tidak faham apa yang menyebabkan kesan ini, tetapi hubungan antara tahap saliniti dan penurunan variasi dalam tahap tempoh dan jam menawarkan petunjuk. Kita tahu bahawa pendedahan kepada pencemaran menyebabkan Daphnia mengalami peraturan epigenetik - perubahan kimia yang mempengaruhi fungsi gen mereka, tanpa mengubah DNA mereka. Dan perubahan epigenetik sering menunjukkan tindak balas secara beransur-ansur, menjadi lebih ketara kerana faktor kausal meningkat. Oleh itu, kemungkinan kemasinan yang tinggi mendorong perubahan kimia menerusi mekanisme epigenetik ini Daphnia untuk menyekat fungsi jam circadiannya.

Kesan meluas gangguan jam sirkadian

Kami tahu bahawa keadaan persekitaran dapat mempengaruhi jam yang mengatur banyak spesies. Sebagai contoh, ubah gula yang kulat itu Neurospora crassa tumbuh pada perubahan tingkah laku jam yang mengawal selia. Tetapi untuk pengetahuan kita, kajian ini adalah yang pertama menunjukkan bahawa gen-jam dalam jam teras organisme dapat langsung terjejas dengan menyesuaikan diri dengan pencemaran alam sekitar. Penemuan kami menunjukkan bahawa sama seperti gear pada jam mekanikal boleh berkarat dari masa ke masa, jam sirkadian boleh dipengaruhi secara kekal oleh pendedahan alam sekitar.

Kajian ini mempunyai implikasi yang penting. Pertama, jika Daphnia's Jam circadian mengawal penyertaannya dalam penghijrahan menegak diel, maka mengganggu jam mungkin bermakna itu Daphnia tidak berhijrah dalam ruangan air. Daphnia adalah pengguna utama alga dan sumber makanan untuk banyak ikan, sehingga mengganggu irama sirkadian mereka boleh menjejaskan keseluruhan ekosistem.

Kedua, penemuan kami menunjukkan bahawa pencemaran alam sekitar mungkin mempunyai kesan yang lebih luas pada manusia daripada yang difahami sebelumnya. Gen dan proses dalam Daphnia's jam sangat mirip dengan mereka yang mengawal jam di manusia. Irama sirkadian kami mengawal gen yang membuat ayunan selular mempengaruhi fungsi sel, pembahagian dan pertumbuhan, bersama dengan parameter fisiologi seperti suhu badan dan tindak balas imun.

Bolehkah Pencemaran Alam Sekitar mengganggu Irama Circadian kami?Jam circadian manusia mengatur kitaran banyak fungsi tubuh. NIH

Apabila irama ini terganggu pada manusia, kita melihat peningkatan kadar kanser, diabetes, obesiti, penyakit jantung, kemurungan dan pelbagai penyakit lain. Kerja kita menunjukkan bahawa pendedahan kepada bahan pencemar alam sekitar mungkin menyinggung fungsi jam manusia, yang boleh membawa kepada peningkatan kadar penyakit.

PerbualanKami meneruskan kerja kami dengan mengkaji bagaimana gangguan DaphniaJam memengaruhi penyertaannya dalam penghijrahan menegak diel. Kami juga berusaha untuk menentukan punca-punca perubahan ini, untuk menentukan sama ada dan bagaimana ini boleh berlaku di dalam otak manusia. Kesan yang kami dapati dalam Daphnia menunjukkan bahawa walaupun bahan mudah seperti garam boleh mempunyai kesan yang sangat kompleks terhadap organisma hidup.

Tentang Pengarang

Jennifer Marie Hurley, Penolong Profesor Sains Biologi, Rensselaer Polytechnic Institute

Artikel ini pada asalnya diterbitkan pada Perbualan. Membaca artikel asal.

Buku berkaitan:

{amazonWS: searchindex = Books; keywords = Circadian Rhythms; maxresults = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

ikuti InnerSelf pada

icon-facebooktwitter-iconrss-icon

Dapatkan Yang Terbaru Dengan E-mel

{Emailcloak = mati}