Saltning af gader i Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Hver vinter gælder lokale regeringer overalt i USA millioner af tons salt for at holde gaderne tilgængelige under sne- og isstorme. Afstrømning fra smeltende sne fører vejsalt i vandløb og søer og får mange vandmasser til at have ekstraordinært høj saltholdighed.

På Rensselaer Polytechnic Institute, min kollega Rick Relyea og hans laboratorium arbejder på at kvantificere, hvordan stigninger i saltholdighed påvirker økosystemer. Ikke overraskende har de fundet ud af, at høj saltholdighed har negativ indvirkning på mange arter. De har også opdaget, at nogle arter har evnen til at klare disse stigninger i saltholdighed.

Men denne evne har en pris. I en nylig undersøgelse analyserede Rick og jeg, hvordan en almindelig art af zooplankton, Dafnier pulex, tilpasser sig stigende niveauer af vejsalt. Vi fandt ud af, at denne eksponering påvirkede en vigtig biologisk rytme: Døgnets ur, som muligvis styrer Dafnier's fodring og predation undgåelse adfærd. Da mange fisk byder på Dafnier, denne effekt kan have krusninger i hele økosystemer. Vores arbejde rejser også spørgsmål om salt eller andre miljøforurenende stoffer kan have lignende virkninger på det menneskelige døgnur.

Daglige biologiske rytmer og det cirkadiske ur

I undersøgelsen af, hvordan vejsalt påvirker akvatiske økosystemer, viste Relyea-laboratoriet det Dafnier pulex kan tilpasse sig til at håndtere moderate eksponeringer på så lidt som to og en halv måned. Disse niveauer varierede fra 15 milligram chlorid (en byggesten af ​​salt) pr. Liter vand til et højt niveau på 1,000 milligram per liter - et niveau, der findes i stærkt forurenede søer i Nordamerika.

En organisms evne til at tilpasse sig noget i sit miljø kan imidlertid også ledsages af negative kompromiser. Mit laboratoriums samarbejde med Rick's begyndte i et forsøg på at identificere disse afvejninger i salt-tilpasset Dafnier.

In mit laboratorium, vi studerer, hvordan vores døgnrytme tillad os at holde styr på tiden. Vi undersøger, hvordan molekylerne i vores celler fungerer sammen for at krydse som et ur. Disse cirkadiske rytmer giver en organisme mulighed for at forudse 24-timers svingninger i sit miljø, såsom ændringer fra lys (dagtimerne) til mørke (natten) og er afgørende for en organisms fitness.

Rick og jeg antog, at tilpasning til høj saltholdighed kunne forstyrre Daphnia døgnrytme baseret på nylige beviser for, at andre miljøforurenende stoffer kan forstyrre døgnadfærd. En vigtig adfærd i Dafnier at kan styres af det cirkadiske ur er diel lodret migration - den største daglige biomassemigration på jorden, som forekommer i oceaner, bugter og søer. Plankton og fisk vandrer ned på dybere vand om dagen for at undgå rovdyr og solskader og bakker op mod overfladen om natten for at fodre.

I betragtning af hvad vi ved om døgnrytmefunktion, ville det være logisk at antage, at udsættelse for forurening ikke påvirker en organisms døgnrytme. Mens cirkadiske ure kan inkorporere miljøoplysninger for at fortælle tidspunktet på dagen, er de det stærkt bufret mod de fleste miljøeffekter.

For at forstå vigtigheden af ​​denne buffering, forestil dig, at timingen af ​​en organisms daglængde reagerede på omgivelsestemperaturen. Varme fremskynder molekylære reaktioner, så på varme dage kan organismernes 24-timers rytme blive 20 timer, og på kolde dage kan det blive 28 timer. I det væsentlige ville organismen have et termometer, ikke et ur.

Tilpasning til forurening påvirker centrale cirkadiske gener

For at afgøre, om urforstyrrelse er en kompromis med tilpasning af forurenende stoffer, måtte vi først fastslå det Dafnier styres af et cirkadisk ur. For at gøre dette identificerede vi gener i Dafnier der ligner to gener, kendt som periode , ur, i en organisme, der fungerer som et cirkadisk modelsystem: Drosophila melanogaster, den fælles frugtflue.

Vi spores niveauerne af periode , ur in Dafnier, holde organismerne i konstant mørke for at sikre, at en lysstimulus ikke påvirkede disse niveauer. Vores data viste, at niveauerne af periode , ur varieret over tid med en 24-timers rytme - en klar indikation på, at Dafnier har et funktionelt cirkadisk ur.

Vi spores også de samme gener i populationer af Dafnier der havde tilpasset sig øget saltholdighed. Meget til min overraskelse opdagede vi, at den daglige variation af periode , ur niveauer forværret direkte med niveauet af saltholdighed Dafnier blev tilpasset. Med andre ord, som Dafnier tilpasset til højere saltholdighedsniveauer, viste de mindre variation i niveauerne af periode , ur i løbet af dagen. Dette demonstrerede det Dafnieruret er faktisk påvirket af eksponering af forurenende stoffer.

Daphnia og andet plankton er blandt de mest rigelige organismer på jorden og spiller kritiske økologiske roller.

{youtube}https://youtu.be/ziGtmjiUlJQ{/youtube}

Vi forstår i øjeblikket ikke, hvad der forårsager denne effekt, men forholdet mellem saltholdighedsniveauer og nedsat variation i niveauerne af periode , ur tilbyder en anelse. Vi ved, at eksponering for forurenende stoffer får Daphnia til at gennemgå epigenetisk regulering - kemiske ændringer, der påvirker funktionen af ​​deres gener uden at ændre deres DNA. Og epigenetiske ændringer viser ofte et gradvist svar og bliver mere udtalt, når årsagsfaktoren stiger. Derfor er det sandsynligt, at høj saltholdighed inducerer kemiske ændringer gennem disse epigenetiske mekanismer i Dafnier at undertrykke funktionen af ​​dets cirkadiske ur.

De brede effekter af døgnforstyrrelser i uret

Vi ved, at miljøforhold kan påvirke, hvad uret regulerer i mange arter. For eksempel at ændre det sukker, som svampen Neurospora crassa vokser videre ændrer den adfærd, som uret regulerer. Men efter vores viden er denne undersøgelse den første, der viser, at gener fra en organisms kerneklokke kan påvirkes direkte ved at tilpasse sig en miljøforurening. Vores fund antyder, at ligesom gearene til et mekanisk ur kan ruste over tid, kan det cirkadiske ur blive påvirket permanent af miljøeksponering.

Denne forskning har vigtige implikationer. Først hvis Daphnia cirkadisk ur regulerer sin deltagelse i den lodrette vandring af diel, og det kan betyde, at uret forstyrres Dafnier ikke vandre i vandsøjlen. Dafnier er vigtige forbrugere af alger og en fødekilde for mange fisk, så det forstyrrer deres døgnrytme kan påvirke hele økosystemer.

For det andet viser vores fund, at miljøforurening kan have bredere virkninger på mennesker end tidligere forstået. Gener og processer i Daphnia uret ligner meget dem, der regulerer uret hos mennesker. Vores døgnrytme styrer gener, der skaber cellulære svingninger, der påvirker cellefunktion, opdeling og vækst sammen med fysiologiske parametre såsom kropstemperatur og immunrespons.

Det menneskelige døgnur regulerer cyklusser for mange kropsfunktioner. NIH

Når disse rytmer forstyrres hos mennesker, ser vi øgede hastigheder på kræft, diabetes, fedme, hjertesygdomme, depression og mange andre sygdomme. Vores arbejde antyder, at eksponering for miljøforurenende stoffer kan være deprimerende for menneskelige ure, hvilket kan føre til øgede sygdomshastigheder.

Vi fortsætter vores arbejde med at undersøge, hvordan afbrydelsen af Dafnier's ur påvirker dets deltagelse i diel vertikal migration. Vi arbejder også på at bestemme de bagvedliggende årsager til disse ændringer, for at fastslå, om og hvordan dette kan ske i den menneskelige hjerne. De virkninger, vi har fundet i Dafnier viser, at selv et simpelt stof såsom salt kan have ekstremt komplekse virkninger på levende organismer.

Om forfatteren

Jennifer Marie Hurley, lektor i biologiske videnskaber, Rensselaer Polytechnic Institute

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort den The Conversation. Læs oprindelige artikel.

Relaterede Bøger:

at InnerSelf Market og Amazon