Streustraßen in Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Jeden Winter bewerben sich lokale Regierungen in den Vereinigten Staaten Millionen Tonnen Streusalz Straßen bei Schnee- und Eisstürmen schiffbar zu halten. Abfluss von schmelzendem Schnee trägt Straßensalz in Bäche und Seen und verursacht viele Gewässer außerordentlich hoher Salzgehalt.

Am Rensselaer Polytechnic Institute, mein Kollege Rick Relyea und sein Labor arbeiten daran zu quantifizieren, wie die Zunahme des Salzgehalts Ökosysteme beeinflusst. Es überrascht nicht, dass sie einen hohen Salzgehalt haben negative Auswirkungen auf viele Arten. Sie haben auch entdeckt, dass einige Arten diese Salinitätszunahme bewältigen können.

Aber diese Fähigkeit hat ihren Preis. In einer neueren Studie analysierten Rick und ich, wie eine gemeinsame Art von Zooplankton, Daphnien Pulex, passt sich an steigende Streusalzmengen an. Wir fanden heraus, dass diese Exposition einen wichtigen biologischen Rhythmus beeinflusst: Die zirkadiane Uhr, die regieren kann DaphnienFütterung und Predation Vermeidung Verhaltensweisen. Da viele Fische Beute machen Daphnien, könnte dieser Effekt in ganzen Ökosystemen Wellen schlagen. Unsere Arbeit wirft auch Fragen auf, ob Salz oder andere Umweltschadstoffe ähnliche Auswirkungen auf die innere Uhr des Menschen haben könnten.

Tägliche biologische Rhythmen und die circadiane Uhr

Bei der Untersuchung, wie Streusalz aquatische Ökosysteme beeinflusst, hat das Relyea-Labor gezeigt, dass Daphnien Pulex kann Anpassung an moderate Expositionen in nur zweieinhalb Monaten. Diese Werte reichten von 15 Milligramm Chlorid (ein Baustein Salz) pro Liter Wasser bis zu einem hohen 1,000 Milligramm pro Liter - ein Niveau, das in stark kontaminierten Seen in Nordamerika zu finden ist.

Die Fähigkeit eines Organismus, sich an etwas in seiner Umgebung anzupassen, kann jedoch auch mit negativen Kompromissen einhergehen. Die Zusammenarbeit meines Labors mit Rick begann in dem Bemühen, diese Kompromisse in Salz-angepasst zu identifizieren Daphnien.

In mein Labor, studieren wir, wie unsere zirkadianen Rhythmen erlauben uns, die Zeit zu verfolgen. Wir untersuchen, wie die Moleküle in unseren Zellen zusammenarbeiten, um wie eine Uhr zu ticken. Diese zirkadianen Rhythmen erlauben einem Organismus, 24-Stunden-Oszillationen in seiner Umgebung vorauszusehen, wie zum Beispiel Veränderungen von Licht (Tag) zu Dunkelheit (Nacht), und sind wichtig für die Fitness eines Organismus.

Rick und ich stellten die Hypothese auf, dass die Anpassung an hohen Salzgehalt stören könnte Daphnia circadiane Rhythmen basierend auf neueren Beweisen, die zeigen, dass andere Umweltkontaminanten stören können zirkadianes Verhalten. Ein wichtiges Verhalten in Daphnien zur Verbesserung der Gesundheitsgerechtigkeit kann von der zirkadianen Uhr gesteuert werden lernen muss die vertikale Migration - die größte tägliche Biomassewanderung auf der Erde, die in Ozeanen, Buchten und Seen stattfindet. Plankton und Fische wandern während des Tages in tiefere Gewässer, um Raubtieren und Sonnenschäden vorzubeugen und nachts zur Nahrung zurückzufahren.

In Anbetracht dessen, was wir über die circadiane Funktion wissen, wäre es logisch anzunehmen, dass die Exposition gegenüber Verschmutzung die zirkadianen Rhythmen eines Organismus nicht beeinflussen würde. Während zirkadiane Uhren Umgebungsinformationen enthalten können, um die Tageszeit zu bestimmen, sind sie stark gegen die meisten Umwelteinflüsse gepuffert.

Um die Bedeutung dieser Pufferung zu verstehen, stellen Sie sich vor, dass der Zeitpunkt der Tageslänge eines Organismus auf die Umgebungstemperatur reagiert. Hitze beschleunigt molekulare Reaktionen. An heißen Tagen könnte der 24-Stunden-Rhythmus des Organismus zu 20-Stunden werden und an kalten Tagen zu 28-Stunden. Im Wesentlichen hätte der Organismus ein Thermometer, keine Uhr.

Die Anpassung an die Umweltverschmutzung beeinflusst wichtige zirkadiane Gene

Um zu bestimmen, ob eine Taktunterbrechung ein Kompromiss zur Schadstoffanpassung ist, mussten wir dies zuerst feststellen Daphnien wird von einer zirkadianen Uhr gesteuert. Um dies zu tun, identifizierten wir Gene in Daphnien das sind zwei Gene ähnlich, bekannt als Zeit und Uhr, in einem Organismus, der als zirkadianes Modellsystem dient: Drosophila melanogaster, die gemeinsame Fruchtfliege.

Wir haben die Levels von Zeit und Uhr in DaphnienHalten Sie die Organismen in ständiger Dunkelheit, um sicherzustellen, dass ein Lichtreiz diese Ebenen nicht beeinflusst. Unsere Daten zeigten, dass die Niveaus von Zeit und Uhr im 24-Stunden Rhythmus variiert - ein deutliches Zeichen dafür Daphnien eine funktionierende circadiane Uhr haben.

Wir haben auch die gleichen Gene in Populationen von Daphnien das hatte sich dem erhöhten Salzgehalt angepasst. Zu meiner Überraschung entdeckten wir, dass die tägliche Variation von Zeit und Uhr Ebenen verschlechtert sich direkt mit das Niveau des Salzgehaltes der Daphnien wurden angepasst. Mit anderen Worten, als Daphnien Englisch: bio-pro.de/en/region/stern/magazin/...0/index.html In Anpassung an höhere Salzgehalte zeigten sie eine geringere Variation in den Konzentrationen Zeit und Uhr über den Tag. Dies hat gezeigt, dass DaphnienDie Uhr ist in der Tat von Schadstoffbelastung betroffen.

Daphnien und anderes Plankton gehören zu den häufigsten Organismen auf der Erde und spielen eine wichtige ökologische Rolle.

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Wir verstehen derzeit nicht, was diesen Effekt verursacht, sondern die Beziehung zwischen Salzgehalt und verminderter Variation der Niveaus von Zeit und Uhr bietet einen Hinweis. Wir wissen, dass die Exposition gegenüber Schadstoffen verursacht Daphnien zu unterziehen epigenetische Regulierung - chemische Veränderungen, die die Funktion ihrer Gene beeinflussen, ohne ihre DNA zu verändern. Und epigenetische Veränderungen zeigen oft eine allmähliche Reaktion, die mit zunehmendem kausalen Faktor ausgeprägter wird. Daher ist es wahrscheinlich, dass ein hoher Salzgehalt durch diese epigenetischen Mechanismen chemische Veränderungen hervorruft Daphnien um die Funktion seiner zirkadianen Uhr zu unterdrücken.

Die breiten Auswirkungen von Störungen der zirkadianen Uhr

Wir wissen, dass Umweltbedingungen beeinflussen können, was die Uhr bei vielen Arten reguliert. Zum Beispiel, den Zucker ändern, dass der Pilz Neurospora crassa wächst weiter Ändert, welches Verhalten die Uhr reguliert. Aber unseres Wissens ist diese Studie die erste, die zeigt, dass Gene der Kernuhr eines Organismus direkt beeinflusst werden können, indem sie sich an eine Umweltkontaminante anpassen. Unser Befund deutet darauf hin, dass genau wie die Zahnräder einer mechanischen Uhr im Laufe der Zeit rosten können, die zirkadiane Uhr permanent von Umwelteinflüssen betroffen sein kann.

Diese Forschung hat wichtige Implikationen. Erstens, wenn Daphnia Die circadiane Uhr reguliert ihre Beteiligung an der vertikalen vertikalen Wanderung, und dann könnte die Unterbrechung der Uhr dies bedeuten Daphnien nicht in der Wassersäule migrieren. Daphnien sind Hauptkonsumenten von Algen und eine Nahrungsquelle für viele Fische und stören so ihre zirkadianen Rhythmen könnte ganze Ökosysteme beeinflussen.

Zweitens zeigen unsere Ergebnisse, dass Umweltverschmutzung breitere Auswirkungen auf den Menschen haben kann als bisher angenommen. Die Gene und Prozesse in Daphnia Uhren sind denen sehr ähnlich, die die Uhr beim Menschen regulieren. Unsere zirkadianen Rhythmen steuern Gene, die zelluläre Schwingungen erzeugen, die die Zellfunktion, -teilung und -wachstum beeinflussen, sowie physiologische Parameter wie Körpertemperatur und Immunantworten.

Die menschliche zirkadiane Uhr reguliert die Zyklen vieler Körperfunktionen. NIH

Wenn diese Rhythmen beim Menschen gestört sind, sehen wir erhöhte Raten von Krebs, Diabetes, Fettleibigkeit, Herzkrankheiten, Depressionen und viele andere Krankheiten. Unsere Arbeit legt nahe, dass die Exposition gegenüber Umweltschadstoffen die Funktion menschlicher Uhren beeinträchtigen könnte, was zu erhöhten Krankheitsraten führen könnte.

Wir setzen unsere Arbeit fort, indem wir untersuchen, wie die Störung von DaphnienDie Uhr beeinflusst ihre Teilnahme an der vertikalen vertikalen Migration. Wir arbeiten auch daran, die Ursachen dieser Veränderungen zu ermitteln, um festzustellen, ob und wie dies im menschlichen Gehirn passieren könnte. Die Auswirkungen, die wir gefunden haben Daphnien zeigen, dass selbst eine einfache Substanz wie Salz äußerst komplexe Auswirkungen auf lebende Organismen haben kann.

Über den Autor

Jennifer Marie Hurley, Assistenzprofessorin für biologische Wissenschaften, Rensselaer Polytechnic Institute

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.

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