Kan miljøforurensninger forstyrre våre sirkadiske rytmer?

Kan miljøforurensninger forstyrre våre sirkadiske rytmer?Salting streets i Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA

Hver vinter gjelder lokale myndigheter over hele USA millioner av tonn veiesalt å holde gatene navigere under snø og isstorm. Avløp fra smeltende snø fører veien salt til bekker og innsjøer, og fører til at mange vannkilder har ekstraordinært høy saltholdighet.

På Rensselaer Polytechnic Institute, min kollega Rick Relyea og hans laboratorium arbeider for å kvantifisere hvordan økt saltholdighet påvirker økosystemene. Ikke overraskende har de funnet ut at høy saltholdighet har negative effekter på mange arter. De har også oppdaget at noen arter har evne til å takle disse økninger i saltholdighet.

Men denne evnen kommer til en pris. I en nylig studie analyserte Rick og jeg hvordan en vanlig dyreplankton, Daphnia pulex, tilpasser seg til stigende veisalt. Vi fant at denne eksponeringen påvirket en viktig biologisk rytme: Den sirkadiske klokken, som kan regulere Daphniafôring og predasjon unngår atferd. Siden mange fisk byttes på Daphnia, denne effekten kan ha krusninger gjennom hele økosystemene. Vårt arbeid reiser også spørsmål om salt eller andre miljøforurensninger kan ha lignende innvirkning på den menneskelige sirkadiske klokken.

Daglige biologiske rytmer og sirkadisk klokke

Ved å studere hvordan veinsalt påvirker akvatiske økosystemer, viste Relyea lab det Daphnia pulex kan tilpasse seg å håndtere moderate eksponeringer på så lite som to og en halv måned. Disse nivåene varierte fra 15 milligram klorid (en byggeblokk av salt) per liter vann til en høy 1,000 milligram per liter - et nivå som finnes i svært forurensede innsjøer i Nord-Amerika.

En organisasjons evne til å tilpasse seg noe i sitt miljø kan imidlertid også ledsages av negative avveier. Labs samarbeid med Rick begynte i et forsøk på å identifisere disse avvikene i salttilpasset Daphnia.

In mitt laboratorium, vi studerer hvordan våre sirkadiske rytmer la oss holde øye med tiden. Vi undersøker hvordan molekylene i cellene våre arbeider sammen for å krysse som en klokke. Disse sirkadiske rytmene tillater en organisme å forutse 24-timers svingninger i sitt miljø, for eksempel endringer fra lys (dagtid) til mørk (natt), og er avgjørende for en organismes kondisjon.


Få det siste fra InnerSelf


Rick og jeg antydet at tilpasning til høy saltholdighet kunne forstyrre Daphnia s sirkadiske rytmer basert på nylige bevis som viser at andre miljøforurensninger kan forstyrre sirkadisk oppførsel. En viktig oppførsel i Daphnia Det kan styres av sirkadian klokken er den diel vertikal migrasjon - Den største daglige biomassemigrasjonen på Jorden, som forekommer i hav, bukter og innsjøer. Plankton og fisk migrerer ned til dypere vann om dagen for å unngå rovdyr og solskader, og tilbake opp mot overflaten om natten for å mate.

Gitt det vi vet om sirkadisk funksjon, ville det være logisk å anta at eksponering for forurensning ikke ville påvirke organismens sirkadiske rytmer. Mens sirkadiske klokker kan inkludere miljøinformasjon for å fortelle tidspunktet på dagen, er de kraftig bøyd mot de fleste miljøeffekter.

For å forstå betydningen av denne buffringen, forestill deg at tidspunktet for organismenes daglengde reagerte på miljøtemperatur. Varme øker molekylære reaksjoner, så på varme dager kan organismenes 24-timers rytme bli 20 timer, og på kalde dager kan det bli 28 timer. I hovedsak ville organismen ha et termometer, ikke en klokke.

Tilpasning til forurensning påvirker sentrale sirkadianer

For å avgjøre om urforstyrrelser er et avslag på forurensningsanpassing, måtte vi først etablere det Daphnia styres av en sirkadisk klokke. For å gjøre dette, identifiserte vi gener i Daphnia som ligner på to gener, kjent som perioden og klokke, i en organisme som fungerer som et circadian modell system: Drosophila melanogaster, den felles fruktfluen.

Vi spores nivåene på perioden og klokke in Daphnia, holde organismer i konstant mørke for å sikre at et lys stimulus ikke påvirket disse nivåene. Våre data viste at nivåene av perioden og klokke variert over tid med en 24-timers rytme - en klar indikasjon på at Daphnia ha en funksjonell sirkadisk klokke.

Vi spores også de samme gener i populasjoner av Daphnia som hadde tilpasset seg økt saltholdighet. Vi håper allikevel at den kan hjelpe deg å planlegge reisen perioden og klokke nivåene forverret direkte med nivået av saltholdighet Daphnia ble tilpasset til. Med andre ord, som Daphnia tilpasset høyere saltholdighetsnivåer, viste de mindre variasjon i nivåene av perioden og klokke over dagen. Dette viste det DaphniaKlokken er faktisk påvirket av eksponering av forurensende stoffer.

Dafnier og annet plankton er blant de mest omfattende organismer på jorden og spiller kritiske økologiske roller.

Vi forstår for øyeblikket ikke hva som forårsaker denne effekten, men forholdet mellom saltholdighetsnivåer og redusert variasjon i nivåene av perioden og klokke gir en anelse. Vi vet at eksponering for forurensende stoffer forårsaker Daphnia å gjennomgå epigenetisk regulering - kjemiske forandringer som påvirker generens funksjon uten å endre DNA. Og epigenetiske endringer viser ofte en gradvis respons, og blir mer uttalt når årsaksfaktoren øker. Det er derfor sannsynlig at høy saltholdighet induserer kjemiske endringer gjennom disse epigenetiske mekanismer i Daphnia for å undertrykke funksjonen av sin sirkadiske klokke.

De brede effektene av sirkadiske urforstyrrelser

Vi vet at miljøforholdene kan påvirke det som klokken regulerer i mange arter. For eksempel bytter sukker som sopp Neurospora crassa vokser på endrer hvilken oppførsel klokken regulerer. Men etter vår kunnskap er denne studien den første som viser at gener av en organismes kjerneklokke kan påvirkes direkte ved å tilpasse seg en miljøforurensning. Vårt funn tyder på at, akkurat som tannhjulene på en mekanisk klokke kan ruste over tid, kan den sirkadiske klokken bli permanent påvirket av miljøpåvirkning.

Denne forskningen har viktige implikasjoner. Først, hvis Daphnia s sirkadisk klokke regulerer sin deltakelse i diel vertikal migrasjon, så kan forstyrrelsen av klokken bety det Daphnia ikke migrere i vannsøylen. Daphnia er viktige forbrukere av alger og en matkilde for mange fisk, og forstyrrer deres sirkadiske rytmer kan påvirke hele økosystemene.

For det andre viser våre funn at miljøforurensning kan ha bredere effekter på mennesker enn tidligere forstått. Generene og prosessene i Daphnia s klokka ligner de som regulerer klokken hos mennesker. Våre sirkadiske rytmer styrer gener som skaper cellulære svingninger som påvirker cellefunksjon, divisjon og vekst, sammen med fysiologiske parametere som kroppstemperatur og immunrespons.

Kan miljøforurensninger forstyrre våre sirkadiske rytmer?Den menneskelige sirkadiske klokken regulerer syklusene i mange kroppsfunksjoner. NIH

Når disse rytmene forstyrres hos mennesker, ser vi økte frekvenser av kreft, diabetes, fedme, hjertesykdom, depresjon og mange andre sykdommer. Vårt arbeid tyder på at eksponering for miljøforurensninger kan være deprimerende funksjonen av menneskeklokker, noe som kan føre til økt sykdomsgrad.

Den ConversationVi fortsetter arbeidet vårt ved å studere hvordan forstyrrelsen av Daphniaklokken påvirker deltakelsen i diel vertikal migrasjon. Vi arbeider også for å finne ut de grunnliggende årsakene til disse forandringene, for å fastslå om og hvordan dette kan skje i den menneskelige hjerne. Virkningen vi har funnet i Daphnia vis at selv en enkel substans som salt kan ha ekstremt komplekse effekter på levende organismer.

Om forfatteren

Jennifer Marie Hurley, assisterende professor i biologiske vitenskap, Rensselaer Polytechnic Institute

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på Den Conversation. Les opprinnelige artikkelen.

Relaterte bøker:

{amazonWS: searchindex = Bøker; søkeord = Circadian Rhythms; maxresults = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

følg InnerSelf på

facebook-ikonettwitter-iconrss-ikonet

Få den siste via e-post

{Emailcloak = off}