Ny studie ger oss ett steg närmare förstå hur tidvattenklockor tickar

Pluggkoden: Strategier för matematik (Maj 2019).

Anonim

Nästan alla organismer har en intern biologisk klocka som synkroniserar deras beteende med den miljö de lever i. Endogena biologiska klockor följer de stora cykliska rytmerna: den solinfluerade 24-timmars övergången dag och natt, tidvatten 12, 4 timme som stiger och faller av tidvatten som styrs av måncykeln och årliga säsongsförändringar.

Organismer som lever i grunt vatten påverkas antagligen av mån- och tidvattencyklerna i större utsträckning än solerna och uppvisar därför mestadels cirkatidala, snarare än cirkadiska rytmer. Som namnet antyder är den ungefärliga tidvattenrytmiciteten en ~ 12, 4-timmars rytm efter tidvattendoscillationen med dess höga och låga tidvatten som alternerar ungefär var sjätte timme. Följaktligen täcks tidvattensorganismer typiskt i vatten under en del av dagen och exponeras resten av tiden. Att ha utvecklats i denna typ av miljö har förmodligen varit en mycket stark drivkraft för dem att anpassa en endogen tidvattenklocka.

Otaliga studier som genomförts under det senaste århundradet har hjälpt till att skapa en övergripande förståelse för hur den cirkadiska klockan fungerar, och viktigare, vilka gener som är inblandade i att ticka. Dessa studier har främst genomförts i de vanliga biologiska modellorganismerna men har under de senaste åren utvidgats till ytterligare "verkliga världsarter", som tropiska koraller, arboreala apor och många andra från vidsträckta livsmiljöer.

Livet på jorden började sin resa till sjöss, förmodligen påverkat i hög grad av tidvattencykeln, som kanske fortsatte att utvecklas till en dygnscykel. För att förstå hur timing fungerar är det viktigt att först förstå hur det fungerar i havet, särskilt i det grunda vattnet.

I en förstklassig, transkriptomisk studie som genomfördes under fyra år, utsträckte forskare vid Bar-Ilan University att i stort sett undersöka rytmiciteten hos Cellana rota, en intertidal limpet. Syftet med denna studie var att använda C. rota för att förstå det tidsmässiga landskapet i en värld som manifesteras av två starka exogena rytmer, cirkadian och tidvattencykler och deras inverkan på organismens biologiska klocka / s. Hittills har mycket få studier genomförts i detta rike och fortfarande lite till ingenting är känt om molekylär grund för tidvattenrytmicitet. Resultaten av deras resultat publicerades idag i tidskriften Scientific Reports.

Under hela studiens gång samlade forskarna hundratusentals bilder genom en anpassad kamerauppsättning som användes på Eilats havsland i södra Israel. Kamerainställningen övervakade en limpetpopulation i flera år, dag och natt. Få studier har genomfört en sådan långsiktig, högupplösande provtagning av djurbeteende i en så utmanande miljö som tidvattenzonen. Delar av dessa data kvantifierades, vilket visade att dessa limpets har en robust tidvattenrytmicitet och märkligt endast uppvisar en cirkadisk komponent till deras beteende endast vid en viss tidpunkt på året.

Forskarna avlägsnade sedan limpetserna från deras naturliga livsmiljö av höga och låga tidvatten och förde dem in i labbet, där de hölls under konstanta förhållanden, dvs inga tidvatten eller cirkadiska signaler, för att fastställa att de verkligen har en intern klocka och agerar inte bara i takt med stigande och fallande tidvatten. Forskarna förutspådde korrekt att om organismen har en intern klocka skulle den fortsätta att verka på tidvatten sätt i labbet, och så gjorde de. Limpetsna hölls sedan under dessa konstanta förhållanden under längre perioder för att desynkronisera deras rytmicitet. Forskarna inrättade sedan ett akvarium med en ny mekanism som sprutade dem med vatten varje 12.4 timmar, vilket liknade tidvattencykeln. Denna procedur medförde återigen limpetsna till en rytmsmimning som de utsätts för i naturen.

"Vi fastställde att limpets har tidvattenrytm. Under laboratorieförhållanden tog de inte hänsyn till dag och nattcykel alls", säger Yisrael Schnytzer, Mina och Everard Goodman fakulteten för biovetenskap vid Bar Ilan University, vem utförde forskningen som en del av hans doktorsavhandling under ledning av prof. Yair Achituv och prof. Oren Levy.

Forskarna återvände därefter till Eilat och samlade limpets av en sten varje fyra timmar under 48 timmar vid två separata tillfällen. De ville ha en provtagning med hög upplösning som skulle hjälpa till att dechiffrera mönstret av limpets genuttryck under tiden.

Forskarna arbetade i samarbete med Dr. Mali Salmon-Divon vid Ariel University, samt Dr. Hiba Waldman Ben Asher vid Bar-Ilan University som samlade transkriptomen. De samarbetade vidare med Prof. Michael Hughes och Dr. Jiajia Li, vid Washington University School of Medicine, som genomförde rytmicitetsanalysen av transkriptomen. "Vi fann att mycket fler gener uttrycks i en tidvatten snarare än en cirkadisk rytm, vilket inte är överraskande baserat på vad vi såg till sjöss och i labbet", säger Schnytzer. Detta står i kontrast till tidigare studier som har föreslagit att även i tidvattenzonen är cirkadiancykeln den dominerande. Ännu viktigare fann forskarna att ingen av de kärna cirkadiska klockgenerna uppvisade en typisk cirkadisk rytm. De var mest arytmiska, en observation som har uppfattats av andra som studerar icke-marina organismer, särskilt de som bor i tidvattenzonen. De fann emellertid att några gener som är kända för att ha en koppling till cirkadiens klocka, om än inte i kärnan, uppvisade en tidvattenrytmicitet.

"Detta får oss att tro att tidvatten- och cirkadklockorna är antingen samma och att det finns en viss plasticitet i hur dessa gener uttrycks under olika miljöförhållanden, eller att åtminstone en del av den" förmodade "cirkadiska klockan gener är involverade i båda tidsmekanismerna, men kärnan i tidvattenklockan försvinner oss fortfarande … ", säger Schnytzer.

Hittills är forskarna de första som utför en så omfattande studie som kombinerar långsiktiga observationer i naturen, liksom laboratoriet som stöds av en transkriptomisk undersökning. De har lagt fram ytterligare ledtrådar, inklusive en checklista över gener som eventuellt är kopplade till tidvattenklockan, som ger oss ett steg närmare förståelse för hur denna evasiva mekanism fungerar som, som ovan nämnts, kanske beror på vår egen klocka.

menu
menu