Zouten straten in Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Elke winter zijn lokale overheden in de Verenigde Staten van toepassing miljoenen tonnen wegzout om straten bevaarbaar te houden tijdens sneeuw- en ijsstormen. Afvloeiing van smeltende sneeuw voert strooizout in beken en meren, en zorgt ervoor dat veel waterlichamen buitengewoon veel hebben hoog zoutgehalte.

Bij Rensselaer Polytechnic Institute, mijn collega Rick Relyea en zijn lab werken aan het kwantificeren van hoe verhogingen van het zoutgehalte van invloed zijn op ecosystemen. Het is niet verrassend dat ze hebben ontdekt dat een hoog zoutgehalte dat wel heeft negatieve gevolgen voor veel soorten. Ze hebben ook ontdekt dat sommige soorten het vermogen hebben om met deze toename in zoutgehalte om te gaan.

Maar dit vermogen komt op een prijs. In een recent onderzoek analyseerden Rick en ik hoe een veel voorkomende soort van zooplankton, Daphnia pulex, past zich aan het toenemende niveau van strooizout aan. We ontdekten dat deze blootstelling een belangrijk biologisch ritme beïnvloedde: de circadiane klok, die mogelijk regeert Daphniahet gedrag van voeding en predatie-vermijding. Omdat veel vissen op jagen Daphnia, dit effect kan rimpelingen hebben in hele ecosystemen. Ons werk roept ook vragen op over de vraag of zout, of andere milieuverontreinigende stoffen, soortgelijke effecten kunnen hebben op de menselijke circadiane klok.

Dagelijkse biologische ritmen en de circadiane klok

Bij het bestuderen van het effect van strooizout op aquatische ecosystemen, liet het Relyea-lab dat zien Daphnia pulex wel aanpassen om gematigde opnamen aan te kunnen in slechts twee en een halve maand. Deze niveaus varieerden van 15 milligrammen chloride (een bouwsteen van zout) per liter water tot een hoogte van 1,000 milligram per liter - een niveau dat voorkomt in sterk vervuilde meren in Noord-Amerika.

Het vermogen van een organisme om zich aan te passen aan iets in zijn omgeving kan echter ook gepaard gaan met negatieve wisselwerkingen. De samenwerking van mijn lab met Rick's begon in een poging om deze afwegingen in aangepast zout te identificeren Daphnia.

In mijn lab, we bestuderen hoe onze circadiane ritmes sta ons toe om de tijd bij te houden. We onderzoeken hoe de moleculen in onze cellen samenwerken om als een klok te tikken. Deze circadiane ritmen stellen een organisme in staat te anticiperen op 24-uuroscillaties in zijn omgeving, zoals veranderingen van licht (overdag) naar donker (nacht), en zijn essentieel voor de fitheid van een organisme.

Rick en ik veronderstelden dat aanpassing aan hoog zoutgehalte zou kunnen verstoren Daphnia's circadiane ritmen gebaseerd op recente gegevens waaruit blijkt dat andere milieucontaminanten kunnen verstoren circadiaans gedrag. Een belangrijk gedrag in Daphnia dat kan worden bestuurd door de circadiane klok is de verticale migratie - de grootste dagelijkse biomassamigratie op aarde, die plaatsvindt in oceanen, baaien en meren. Plankton en vissen migreren overdag naar dieper water om roofdieren en schade door de zon te voorkomen, en 's nachts naar het oppervlak te gaan om zich te voeden.

Gezien wat we weten over de circadiane functie, zou het logisch zijn om te veronderstellen dat blootstelling aan vervuiling de circadiane ritmes van een organisme niet zou beïnvloeden. Hoewel circadiane klokken milieu-informatie kunnen opnemen om het tijdstip van de dag te vertellen, zijn ze dat wel zwaar gebufferd tegen de meeste milieueffecten.

Om het belang van deze buffering te begrijpen, stel je voor dat de timing van de daglengte van een organisme reageerde op de omgevingstemperatuur. Warmte versnelt moleculaire reacties, dus op warme dagen kan het 24-uurritme van het organisme 20-uren worden, en op koude dagen kan het 28-uren worden. In wezen zou het organisme een thermometer hebben, geen klok.

Aanpassing aan vervuiling beïnvloedt belangrijke circadiane genen

Om vast te stellen of klokverstoring een compromis is voor aanpassing aan verontreinigende stoffen, hebben we dat eerst moeten vaststellen Daphnia wordt bestuurd door een circadiane klok. Om dit te doen, identificeerden we genen in Daphnia die vergelijkbaar zijn met twee genen, bekend als periode en klok, in een organisme dat dient als een circadiaans modelsysteem: Drosophila melanogaster, de gemeenschappelijke fruitvlieg.

We hebben de niveaus van periode en klok in Daphnia, de organismen in constante duisternis houden om ervoor te zorgen dat een lichte stimulus deze niveaus niet beïnvloedde. Uit onze gegevens bleek dat de niveaus van periode en klok gevarieerd in de loop van de tijd met een 24-uur ritme - een duidelijke indicatie dat Daphnia hebben een functionele circadiane klok.

We hebben ook dezelfde genen gevolgd in populaties van Daphnia die zich had aangepast aan een verhoogd zoutgehalte. Tot mijn verrassing ontdekten we dat de dagelijkse variatie van periode en klok niveaus verslechterden direct met het niveau van het zoutgehalte de Daphnia aangepast aan. Met andere woorden, als Daphnia aangepast aan hogere zoutgehalten, vertoonden ze minder variatie in de niveaus van periode en klok over de dag. Dit heeft dat aangetoond DaphniaDe klok wordt inderdaad beïnvloed door de blootstelling van schadelijke stoffen.

Daphnia en ander plankton behoren tot de meest voorkomende organismen op aarde en spelen een cruciale ecologische rol.

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

We begrijpen momenteel niet wat dit effect veroorzaakt, maar de relatie tussen zoutgehalten en afgenomen variatie in de niveaus van periode en klok biedt een idee. We weten dat blootstelling aan verontreinigende stoffen Dafnia veroorzaakt epigenetische regulatie - chemische veranderingen die de functie van hun genen beïnvloeden, zonder hun DNA te veranderen. En epigenetische veranderingen vertonen vaak een geleidelijke reactie, die meer uitgesproken wordt naarmate de causale factor toeneemt. Daarom is het waarschijnlijk dat een hoog zoutgehalte chemische veranderingen teweegbrengt door deze epigenetische mechanismen in Daphnia om de functie van zijn circadiane klok te onderdrukken.

De brede effecten van verstoringen van de circadiane klok

We weten dat omgevingsomstandigheden van invloed kunnen zijn op wat de klok bij veel soorten regelt. Bijvoorbeeld het veranderen van de suiker die de schimmel is Neurospora crassa groeit verder verandert welk gedrag de klok regelt. Maar voor zover wij weten, is deze studie de eerste die aantoont dat genen van de klok van een organisme direct kunnen worden beïnvloed door aanpassing aan een milieuverontreiniging. Onze bevinding suggereert dat, net zoals de tandwielen van een mechanische klok na verloop van tijd kunnen roesten, de circadiane klok permanent kan worden beïnvloed door blootstelling aan de omgeving.

Dit onderzoek heeft belangrijke implicaties. Ten eerste, als Daphnia's circadiane klok regelt zijn deelname aan de diel verticale migratie, dan kan het verstoren van de klok dat betekenen Daphnia migreer niet in de waterkolom. Daphnia zijn belangrijke consumenten van algen en een voedselbron voor veel vissen, waardoor hun circadiane ritmen worden verstoord kan van invloed zijn op hele ecosystemen.

Ten tweede geven onze bevindingen aan dat milieuverontreiniging mogelijk bredere effecten op mensen heeft dan eerder werd begrepen. De genen en processen in Daphnia's klok zijn erg vergelijkbaar met die welke de klok bij mensen regelen. Onze circadiane ritmen controleren genen die cellulaire oscillaties creëren die de celfunctie, deling en groei beïnvloeden, samen met fysiologische parameters zoals lichaamstemperatuur en immuunresponsen.

De menselijke circadiane klok regelt de cycli van vele lichaamsfuncties. NIH

Wanneer deze ritmen bij mensen worden verstoord, zien we hogere percentages kanker, diabetes, obesitas, hartziekte, depressie en vele andere ziekten. Ons werk suggereert dat blootstelling aan milieuverontreinigende stoffen de werking van menselijke klokken kan onderdrukken, wat kan leiden tot verhoogde ziektecijfers.

We gaan door met ons werk door te bestuderen hoe de verstoring van DaphniaDe klok beïnvloedt zijn deelname aan de verticale verticale migratie. We werken ook aan het bepalen van de onderliggende oorzaken van deze veranderingen, om vast te stellen of en hoe dit zou kunnen gebeuren in het menselijk brein. De gevolgen die we hebben gevonden in Daphnia laten zien dat zelfs een eenvoudige stof zoals zout buitengewoon complexe effecten kan hebben op levende organismen.

Over de auteur

Jennifer Marie Hurley, universitair docent biologische wetenschappen, Rensselaer Polytechnic Institute

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees de originele artikel.

Related Books:

at InnerSelf Market en Amazon