Ako mesačné cykly riadia trenie koralov a červov

Tento článok sa pôvodne objavil v Knowable Magazine.

Na severnom cípe Červeného mora v Akabskom zálive je večer a Tom Shlesinger sa pripravuje na ponor. Cez deň je morské dno plné života a farieb; v noci to vyzerá oveľa cudzokrajnejšie. Shlesinger čaká na úkaz, ktorý sa vyskytuje raz za rok pre plejádu druhov koralov, často niekoľko nocí po splne.

Vedený baterkou to zbadá: koral vypúšťa farebný zväzok vajíčok a spermií, ktoré sú tesne zbalené. "Pozeráte sa na to a začne to prúdiť na povrch," hovorí Shlesinger. "Potom zdvihnete hlavu a otočíte sa a uvedomíte si: Všetky kolónie rovnakého druhu to práve robia."

Niektoré druhy koralov uvoľňujú zväzky ružovkastofialovej farby, iné uvoľňujú zväzky žlté, zelené, biele alebo rôzne iné odtiene. „Je to celkom pekný estetický pocit,“ hovorí Shlesinger, morský ekológ z Tel Avivskej univerzity. Medziuniverzitný inštitút pre morské vedy v Eilate, Izrael, ktorý bol svedkom show počas mnohých rokov potápanie. Koraly sa zvyčajne trú večer a v noci v krátkom časovom okne od 10 minút do pol hodiny. „Načasovanie je také presné, že si môžete nastaviť hodiny podľa času, kedy sa to stane,“ hovorí Shlesinger.

Mesiacom riadené rytmy u morských živočíchov boli pozorované po stáročia. Existujú vypočítané odhady, napríklad, že v roku 1492 sa Krištof Kolumbus stretol s akýmsi žiariacim morským červom zapojeným do páriaceho tanca v čase mesiaca, ako napríklad „plameň malej sviečky sa striedavo zdvíha a spúšťa.“ Predpokladá sa, že rôzne živočíchy, ako sú mušle, koraly, mnohoštetinavce a niektoré ryby, synchronizujú svoje reprodukčné správanie s Mesiacom. Rozhodujúcim dôvodom je, že takéto zvieratá — napr. viac ako sto druhov koralov na Veľkej koralovej bariére – uvoľnia vajíčka pred oplodnením a synchronizácia maximalizuje pravdepodobnosť stretnutia medzi vajíčkami a spermiami.

Ako to funguje? To bolo dlho záhadou, ale výskumníci sú stále bližšie k pochopeniu. Už najmenej 15 rokov vedia, že koraly, podobne ako mnohé iné druhy, obsahujú svetlocitlivé proteíny nazývané kryptochrómy a nedávno uviedli, že v kamenných koraloch, napr. Dipsastraea speciosa, obdobie temnoty medzi západom slnka a východom mesiaca sa objaví kľúč na spustenie spawnovania o pár dní neskôr.

Teraz s pomocou morského štetinového červa Platynereis dumerilii, výskumníci začali objavovať molekulárny mechanizmus, pomocou ktorého môže nespočetné množstvo morských druhov venovať pozornosť cyklu mesiac.

Štetinový červ pôvodne pochádza z Neapolského zálivu, ale v laboratóriách sa chová od 50. rokov minulého storočia. Je obzvlášť vhodný pre takéto štúdie, hovorí Kristin Tessmar-Raible, chronobiologička z Viedenskej univerzity. Počas obdobia rozmnožovania sa rozmnožuje niekoľko dní po splne: Dospelé červy sa v tmavej hodine hromadne vynárajú k vodnej hladine, zapájajú sa do svadobného tanca a uvoľňujú svoje gaméty. Po rozmnožení červy prasknú a zomrú.

Nástroje, ktoré stvorenia potrebujú na také presné načasovanie – na dni v mesiaci a potom na hodiny dňa – sú podobné tým, ktoré by sme potrebovali na usporiadanie stretnutia, hovorí Tessmar-Raible. „Integrujeme rôzne typy systémov časovania: hodinky, kalendár,“ hovorí. V prípade červa sú potrebnými systémami časovania denné - alebo cirkadiánne - hodiny spolu s ďalšími cirkalunárnymi hodinami na mesačné počítanie.

Aby preskúmala načasovanie červa, skupina Tessmar-Raible začala experimenty s génmi v červovi, ktoré nesú pokyny na výrobu kryptochrómov. Skupina sa zamerala konkrétne na kryptochróm v štetinových červoch s názvom L-Cry. Aby zistili jeho zapojenie do synchronizovaného trenia, použili genetické triky na inaktiváciu l-plač génu a pozorujte, čo sa stalo s lunárnymi hodinami červa. Uskutočnili tiež experimenty na analýzu proteínu L-Cry.

Hoci príbeh nie je ani zďaleka úplný, vedci majú dôkazy, že proteín hrá kľúčovú úlohu v niečom veľmi dôležitom: rozlišovaní slnečného svetla od mesačného. L-Cry je v skutočnosti „tlmočník prirodzeného svetla“, píše Tessmar-Raible a spoluautori prehľad rytmov morských živočíchov z roku 2023 v Výročný prehľad morských vied.

Úloha je kľúčová, pretože na to, aby sa tvory mohli synchronizovať a spawnovať v tú istú noc, musia byť schopné držať krok so vzormi mesiaca na jeho zhruba 29,5-dňový cyklus – od splnu, keď je mesačné svetlo jasné a trvá celú noc, až po slabšie, kratšie trvajúce osvetlenie, keď Mesiac pribúda a ubúda.

Vedci zistili, že keď chýbal L-Cry, červy nerozlišovali primerane. Zvieratá sa pevne synchronizovali s umelými lunárnymi cyklami svetla a tmy vo vnútri laboratória - jedničky v ktorom bolo „slnečné svetlo“ slabšie ako skutočné slnko a „mesačné svetlo“ jasnejšie ako skutočné mesiac. Inými slovami, červy bez L-Cry zachytili nereálne svetelné cykly. Na rozdiel od toho, normálne červy, ktoré stále vyrábali proteín L-Cry, boli náročnejšie a zvládli lepšiu synchronizáciu ich lunárne hodiny správne, keď sa nočné osvetlenie viac zhodovalo s prirodzeným osvetlením štetinového červa životné prostredie.

Výskumníci získali aj ďalšie dôkazy o tom, že L-Cry je dôležitým hráčom v meraní lunárneho času, ktorý pomáha rozlíšiť slnečné svetlo od mesačného svetla. Vyčistili proteín L-Cry a zistili, že pozostáva z dvoch proteínových reťazcov spojených dohromady, pričom každá polovica má štruktúru pohlcujúcu svetlo známu ako flavín. Citlivosť každého flavínu na svetlo je veľmi odlišná. Vďaka tomu môže L-Cry reagovať na silné svetlo podobné slnečnému žiareniu aj na ekvivalent slabého svetla k mesačnému svetlu – svetlu s intenzitou nad päť rádov – ale s veľmi odlišnou dôsledky.

"Považujem za veľmi vzrušujúce, že by sme mohli opísať proteín, ktorý dokáže merať fázy mesiaca."

Eva Wolfová

Po štyroch hodinách vystavenia slabému „mesačnému svetlu“ napríklad svetlom indukované chemické reakcie v proteín — fotoredukcia — nastala a dosiahla maximum po šiestich hodinách nepretržitého „mesačného svitu“ vystavenie. Šesť hodín je dôležité, poznamenávajú vedci, pretože červ by sa stretol s mesačným svetlom v hodnote iba šesť hodín v čase, keď bol Mesiac v splne. To by teda umožnilo stvoreniu synchronizovať sa s mesačnými mesačnými cyklami a vybrať si tú správnu noc, v ktorej sa rozmnoží. „Považujem za veľmi vzrušujúce, že by sme mohli opísať proteín, ktorý dokáže merať fázy mesiaca,“ hovorí Eva Wolf, a štrukturálny biológ z IMB Mainz a Johannes Gutenberg University Mainz a spolupracovník Tessmar-Raible na práca.

Ako však červ vie, že vníma mesačné svetlo a nie slnečné svetlo? Vedci zistili, že za podmienok mesačného svetla bol fotoredukovaný iba jeden z dvoch flavínov. Naproti tomu pri jasnom svetle boli obe molekuly flavínu fotoredukované a to veľmi rýchlo. Okrem toho tieto dva typy L-Cry skončili v rôznych častiach buniek červa: plne fotoredukované proteín v cytoplazme, kde bol rýchlo zničený, a čiastočne fotoredukované L-Cry proteíny v jadro.

Celkovo sa situácia podobá „vysoko citlivému „senzoru slabého osvetlenia“ na detekciu mesačného svetla a oveľa menej citlivému „senzoru vysokého osvetlenia“ na detekciu slnečného svetla,“ uzatvárajú autori. v správe zverejnenej v roku 2022.

Zostáva samozrejme veľa hádaniek. Napríklad, hoci pravdepodobne dva odlišné osudy molekúl L-Cry prenášajú rôzne biologické signály vo vnútri červa, výskumníci ešte nevedia, čo to je. A hoci je proteín L-Cry kľúčom k odlíšeniu slnečného svetla od mesačného svetla, podľa vedcov musia byť zahrnuté aj iné molekuly snímajúce svetlo.

V samostatnej štúdii výskumníci použili kamery v laboratóriu na zaznamenanie výbuchu plávania (tzv „svadobný tanec“ červa), ku ktorému dochádza, keď sa červ vydá na poter a nasleduje genetický experimenty. A potvrdili, že ďalšia molekula je kľúčová pre to, aby sa červ rozmnožil počas správnej jednej až dvoch hodín okno – tmavá časť noci medzi západom slnka a východom mesiaca – počas určených nocí rozmnožovania.

Vedci zistili, že molekula nazývaná r-Opsin je extrémne citlivá na svetlo - asi stokrát viac ako melanopsín nájdený v priemernom ľudskom oku. Vedci navrhujú, že upravuje denné hodiny červa tým, že pôsobí ako snímač východu mesiaca (mesiac vychádza postupne každú noc). Ide o to, že spojenie signálu zo senzora r-Opsin s informáciami z L-Cry o tom, aký Svetlo umožňuje červovi vybrať si ten správny čas v noci trenia, aby vystúpil na povrch a uvoľnil gaméty.

Rezidentní časomerači

Keď biológovia rozoberajú časomiery potrebné na synchronizáciu aktivít v toľkých morských tvoroch, otázky sa objavujú. Kde presne títo časomerači sídlia? V druhoch, v ktorých biologické hodiny boli dobre preštudované — ako napr Drosophila a myši – tento centrálny časomerač je umiestnený v mozgu. U štetiny morskej existujú hodiny v prednom mozgu a periférnych tkanivách trupu. Ale iné stvorenia, ako sú koraly a morské sasanky, nemajú ani mozog. „Existuje populácia neurónov, ktorá funguje ako centrálne hodiny, alebo je oveľa rozptýlenejšia? To naozaj nevieme,“ hovorí Ann Tarrant, morská biologička z oceánografickej inštitúcie Woods Hole, ktorá študuje chronobiológiu morskej sasanky. Nematostella vectensis.

Vedcov tiež zaujíma, aké úlohy zohrávajú mikróby, ktoré môžu žiť s morskými tvormi. Koraly ako Acropora, napríklad, často majú riasy žijúce symbioticky vo svojich bunkách. "Vieme, že takéto riasy majú tiež cirkadiánne rytmy," hovorí Tarrant. "Takže keď máte spolu koral a riasu, je zložité vedieť, ako to funguje."

Výskumníci sa tiež obávajú o osud veľkolepých synchronizovaných udalostí, ako je trenie koralov svetlom znečistený svet. Ak sú mechanizmy koralových hodín podobné mechanizmom štetinového červa, ako by tvory dokázali správne rozpoznať prirodzený spln? V roku 2021 výskumníci oznámili laboratórne štúdie, ktoré to dokazujú svetelné znečistenie môže desynchronizovať trenie v dvoch druhoch koralov - Acropora millepora a Acropora digitifera — nájdený v Indo-Tichom oceáne.

Shlesinger a jeho kolega Yossi Loya práve toto videli v prirodzených populáciách, u niekoľkých druhov koralov v Červenom mori. V správe z roku 2019 vedci porovnávali štyri roky pozorovaní plodenia s údajmi z toho istého miesta pred 30 rokmi. Tri z piatich druhov, ktoré skúmali, vykazovali asynchrónnosť trenia, čo viedlo k menšiemu počtu - alebo žiadnym - prípadom nových malých koralov na útese.

Shlesinger verí, že spolu s umelým svetlom môžu byť aj iní vinníci, ako napríklad chemické znečisťujúce látky narúšajúce endokrinný systém. Pracuje na tom, aby to pochopil - a aby zistil, prečo niektoré druhy zostávajú nedotknuté.

Na základe svojich doterajších pozorovaní pod vodou sa Shlesinger domnieva, že asi 10 z 50 druhov, na ktoré sa pozrel, môže byť asynchronických. v Červenom mori, ktorého severná časť sa považuje za útočisko koralov pri zmene klímy a nezaznamenalo sa tu hromadné vybielenie. „Mám podozrenie,“ hovorí, „že o podobných problémoch budeme počuť na iných miestach na svete a u viacerých druhov.

Tento článok sa pôvodne objavil v Knowable Magazine, nezávislý novinársky počin z výročných prehľadov. Zaregistrujte sa na newsletter.