ถนนเกลือในมิลวอกี Michael Pereckas, CC BY-SA 

ทุกฤดูหนาว รัฐบาลท้องถิ่นทั่วประเทศสหรัฐอเมริกาสมัคร เกลือถนนหลายล้านตัน เพื่อให้ถนนเดินเรือได้ในช่วงหิมะและพายุน้ำแข็ง การไหลบ่าจากหิมะที่ละลายได้นำเกลือถนนเข้าสู่ลำธารและทะเลสาบ และทำให้แหล่งน้ำหลายแห่งมีความพิเศษ ความเค็มสูง.

ที่ Rensselaer Polytechnic Institute เพื่อนร่วมงานของฉัน ริก รีลีอา และห้องปฏิบัติการของเขากำลังทำงานเพื่อหาปริมาณว่าความเค็มที่เพิ่มขึ้นส่งผลต่อระบบนิเวศอย่างไร ไม่น่าแปลกใจที่พวกเขาพบว่ามีความเค็มสูง ส่งผลเสียต่อสัตว์หลายชนิด. พวกเขายังได้ค้นพบว่าบางชนิดมีความสามารถในการรับมือกับความเค็มที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้

แต่ความสามารถนี้มาพร้อมกับราคา ในการศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ ริคกับฉันวิเคราะห์ว่าแพลงก์ตอนสัตว์ทั่วไปเป็นอย่างไร แดฟเนีย ปูเล็กซ์ปรับให้เข้ากับระดับเกลือถนนที่เพิ่มขึ้น เราพบว่าการสัมผัสนี้ส่งผลต่อจังหวะทางชีวภาพที่สำคัญ: นาฬิกา circadian ซึ่งอาจควบคุม แดฟเนียพฤติกรรมการกินและการหลีกเลี่ยงการปล้นสะดม เนื่องจากปลาจำนวนมากเหยื่อบน แดฟเนีย, ผลกระทบนี้อาจมีระลอกคลื่นไปทั่วทั้งระบบนิเวศ งานของเรายังทำให้เกิดคำถามว่าเกลือหรือมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมอื่นๆ อาจส่งผลกระทบที่คล้ายคลึงกันต่อนาฬิกาชีวิตของมนุษย์หรือไม่

จังหวะชีวภาพรายวันและนาฬิกาชีวิต

จากการศึกษาว่าเกลือบนถนนมีผลกระทบต่อระบบนิเวศทางน้ำอย่างไร ห้องปฏิบัติการ Relyea พบว่า แดฟเนีย ปูเล็กซ์ สามารถ ปรับให้เข้ากับการรับแสงปานกลาง ในเวลาเพียงสองเดือนครึ่ง ระดับเหล่านี้มีตั้งแต่ 15 มิลลิกรัมของคลอไรด์ (ส่วนประกอบสำคัญของเกลือ) ต่อน้ำหนึ่งลิตร ไปจนถึงระดับสูงถึง 1,000 มิลลิกรัมต่อลิตร ซึ่งเป็นระดับที่พบในทะเลสาบที่มีการปนเปื้อนสูงในอเมริกาเหนือ

อย่างไรก็ตาม ความสามารถของสิ่งมีชีวิตในการปรับตัวให้เข้ากับบางสิ่งบางอย่างในสภาพแวดล้อมก็อาจมาพร้อมกับการประนีประนอมในเชิงลบ การทำงานร่วมกันของห้องแล็บของฉันกับ Rick's เริ่มต้นขึ้นในความพยายามที่จะระบุจุดประนีประนอมเหล่านี้ในการปรับด้วยเกลือ แดฟเนีย.

In ห้องปฏิบัติการของฉัน, เราศึกษาว่าจังหวะชีวิตของเราเป็นอย่างไร ให้เราได้ติดตามเวลา. เราศึกษาว่าโมเลกุลในเซลล์ของเราทำงานร่วมกันอย่างไรเพื่อทำเครื่องหมายเหมือนนาฬิกา จังหวะชีวิตเหล่านี้ทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถคาดการณ์การสั่นของสภาพแวดล้อมได้ตลอด 24 ชั่วโมง เช่น การเปลี่ยนแปลงจากแสง (กลางวัน) เป็นความมืด (กลางคืน) และ จำเป็นต่อสมรรถภาพของร่างกาย.

ริคกับฉันตั้งสมมติฐานว่าการปรับตัวให้เข้ากับความเค็มสูงอาจขัดขวางได้ แดฟเนีย จังหวะการเต้นของหัวใจตามหลักฐานล่าสุดที่แสดงให้เห็นว่าสารปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมอื่น ๆ สามารถรบกวนได้ พฤติกรรมรอบข้าง. พฤติกรรมที่สำคัญอย่างหนึ่งใน แดฟเนีย ที่ อาจถูกควบคุมโดยนาฬิกาชีวิต คือ การโยกย้ายแนวตั้ง diel – การอพยพของสิ่งมีชีวิตต่อหน่วยพื้นที่รายวันที่ใหญ่ที่สุดในโลก ซึ่งเกิดขึ้นในมหาสมุทร อ่าวและทะเลสาบ แพลงก์ตอนและปลาจะอพยพลงสู่น้ำลึกในตอนกลางวันเพื่อหลีกเลี่ยงผู้ล่าและการทำลายจากแสงแดด และกลับขึ้นสู่ผิวน้ำในตอนกลางคืนเพื่อกินอาหาร

จากสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับหน้าที่ของ circadian ถือว่ามีเหตุผลที่จะถือว่าการสัมผัสกับมลภาวะจะไม่ส่งผลต่อจังหวะการมีชีวิตของสิ่งมีชีวิต ในขณะที่นาฬิกาชีวิตสามารถรวมข้อมูลด้านสิ่งแวดล้อมเพื่อบอกช่วงเวลาของวันได้ บัฟเฟอร์อย่างมากต่อผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมส่วนใหญ่.

เพื่อให้เข้าใจถึงความสำคัญของการบัฟเฟอร์นี้ ให้จินตนาการว่าระยะเวลาของความยาววันของสิ่งมีชีวิตตอบสนองต่ออุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม ความร้อนเร่งปฏิกิริยาของโมเลกุล ดังนั้นในวันที่อากาศร้อน จังหวะ 24 ชั่วโมงของสิ่งมีชีวิตอาจกลายเป็น 20 ชั่วโมง และในวันที่อากาศหนาวเย็นก็อาจกลายเป็น 28 ชั่วโมง โดยพื้นฐานแล้ว สิ่งมีชีวิตจะมีเทอร์โมมิเตอร์ ไม่ใช่นาฬิกา

การปรับตัวให้เข้ากับมลภาวะส่งผลต่อยีนที่สำคัญของร่างกาย

เพื่อตรวจสอบว่าการหยุดชะงักของนาฬิกาเป็นการแลกเปลี่ยนกับการปรับตัวของมลพิษหรือไม่ ก่อนอื่นเราต้องสร้างสิ่งนั้น แดฟเนีย ถูกควบคุมโดยนาฬิกาชีวิต ในการทำเช่นนี้ เราได้ระบุยีนใน แดฟเนีย ที่คล้ายคลึงกันสองยีนที่เรียกว่า known ระยะเวลา และ นาฬิกาในสิ่งมีชีวิตที่ทำหน้าที่เป็นระบบแบบจำลอง circadian: Drosophila melanogaster, แมลงวันผลไม้ทั่วไป

เราติดตามระดับของ ระยะเวลา และ นาฬิกา in แดฟเนียทำให้สิ่งมีชีวิตอยู่ในความมืดตลอดเวลาเพื่อให้แน่ใจว่าแสงกระตุ้นไม่ส่งผลกระทบต่อระดับเหล่านี้ ข้อมูลของเราแสดงให้เห็นว่าระดับของ ระยะเวลา และ นาฬิกา แปรผันตามจังหวะ 24 ชั่วโมง – บ่งบอกชัดเจนว่า แดฟเนีย มีนาฬิกาชีวิตที่ใช้งานได้

นอกจากนี้เรายังติดตามยีนเดียวกันในประชากรของ แดฟเนีย ที่ปรับให้เข้ากับความเค็มที่เพิ่มขึ้น ฉันประหลาดใจมากที่เราพบว่ารูปแบบรายวันของ ระยะเวลา และ นาฬิกา ระดับลดลงโดยตรงกับ ระดับความเค็ม แดฟเนีย ถูกปรับให้เข้ากับ. กล่าวอีกนัยหนึ่ง as แดฟเนีย ปรับให้เข้ากับระดับความเค็มที่สูงขึ้น พบว่ามีความผันแปรในระดับของ . น้อยลง ระยะเวลา และ นาฬิกา ตลอดทั้งวัน นี้แสดงให้เห็นว่า แดฟเนียนาฬิกาของจริงได้รับผลกระทบจากการสัมผัสมลพิษ

แดฟเนียและแพลงก์ตอนอื่น ๆ เป็นสิ่งมีชีวิตที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในโลกและมีบทบาททางนิเวศวิทยาที่สำคัญ

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

ขณะนี้เรายังไม่เข้าใจว่าอะไรทำให้เกิดผลกระทบนี้ แต่ความสัมพันธ์ระหว่างระดับความเค็มและความแปรผันของระดับ . ที่ลดลง ระยะเวลา และ นาฬิกา เสนอเบาะแส เรารู้ว่าการสัมผัสกับมลพิษทำให้ Daphnia ได้รับnia ระเบียบ epigenetic – การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ส่งผลต่อการทำงานของยีนโดยไม่ทำให้ DNA ของพวกมันเปลี่ยนแปลง และการเปลี่ยนแปลงของอีพีเจเนติกส์มักจะแสดงการตอบสนองทีละน้อย และเด่นชัดมากขึ้นเมื่อปัจจัยเชิงสาเหตุเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงมีแนวโน้มว่าความเค็มสูงจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีผ่านกลไกอีพีเจเนติกเหล่านี้ใน แดฟเนีย เพื่อระงับการทำงานของนาฬิกาชีวิต

ผลกระทบในวงกว้างของการหยุดชะงักของนาฬิกาชีวิต

เรารู้ว่าสภาพแวดล้อมสามารถส่งผลต่อสิ่งที่นาฬิกาควบคุมในหลายสายพันธุ์ เช่น เปลี่ยนน้ำตาลที่ขึ้นรา Neurospora crassa เติบโตบน เปลี่ยนพฤติกรรมที่นาฬิกากำหนด regulate. แต่สำหรับความรู้ของเรา การศึกษาครั้งนี้เป็นครั้งแรกที่แสดงให้เห็นว่ายีนของนาฬิกาแกนกลางของสิ่งมีชีวิตสามารถได้รับผลกระทบโดยตรงโดยการปรับให้เข้ากับสิ่งปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อม การค้นพบของเราชี้ให้เห็นว่าเฟืองของนาฬิกาจักรกลสามารถเกิดสนิมได้เมื่อเวลาผ่านไป เช่นเดียวกับที่นาฬิกาชีวิตอาจได้รับผลกระทบอย่างถาวรจากการสัมผัสกับสิ่งแวดล้อม

งานวิจัยนี้มีนัยสำคัญ อันดับแรก ถ้า แดฟเนีย นาฬิกาชีวิตควบคุมการมีส่วนร่วมในการย้ายถิ่นของไดเอล จากนั้นการรบกวนนาฬิกาอาจหมายความว่า แดฟเนีย อย่าอพยพในคอลัมน์น้ำ แดฟเนีย เป็นผู้บริโภคสาหร่ายที่สำคัญและเป็นแหล่งอาหารของปลาหลายชนิด จึงไปรบกวนจังหวะชีวิตของมัน อาจส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศทั้งหมด.

ประการที่สอง การค้นพบของเราระบุว่ามลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมอาจส่งผลกระทบต่อมนุษย์ในวงกว้างกว่าที่เข้าใจกันก่อนหน้านี้ ยีนและกระบวนการใน แดฟเนีย นาฬิกามีความคล้ายคลึงกับนาฬิกาที่ควบคุมนาฬิกาในมนุษย์มาก จังหวะชีวิตของเราควบคุมยีนที่สร้างการสั่นของเซลล์ที่ส่งผลต่อการทำงานของเซลล์ การแบ่งตัวและการเจริญเติบโต ควบคู่ไปกับพารามิเตอร์ทางสรีรวิทยา เช่น อุณหภูมิของร่างกายและการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน

นาฬิกาชีวิตของมนุษย์ควบคุมวัฏจักรการทำงานของร่างกายหลายอย่าง NIH

เมื่อจังหวะเหล่านี้ถูกรบกวนในมนุษย์ เราจะเห็นอัตราที่เพิ่มขึ้นของ มะเร็ง เบาหวาน โรคอ้วน โรคหัวใจ โรคซึมเศร้า และโรคอื่นๆ อีกมากมาย and. งานของเราแนะนำว่าการสัมผัสกับมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมอาจทำให้นาฬิกาของมนุษย์ตกต่ำ ซึ่งอาจนำไปสู่อัตราการเกิดโรคที่เพิ่มขึ้น

เรากำลังดำเนินการงานของเราต่อไปโดยศึกษาว่าการหยุดชะงักของ แดฟเนียนาฬิกาของส่งผลต่อการมีส่วนร่วมในการอพยพตามแนวตั้งของ diel เรากำลังดำเนินการเพื่อหาสาเหตุที่แท้จริงของการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ เพื่อตรวจสอบว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นในสมองของมนุษย์หรือไม่และอย่างไร ผลกระทบที่เราพบใน แดฟเนีย แสดงให้เห็นว่าแม้แต่สารธรรมดา เช่น เกลือ ก็สามารถสร้างผลกระทบที่ซับซ้อนอย่างยิ่งต่อสิ่งมีชีวิตได้

เกี่ยวกับผู้เขียน

Jennifer Marie Hurley ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพ สถาบัน Rensselaer Polytechnic

บทความนี้ถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ สนทนา. อ่าน บทความต้นฉบับ.

หนังสือที่เกี่ยวข้อง:

at ตลาดภายในและอเมซอน