Salatura strade a Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Ogni inverno si applicano i governi locali degli Stati Uniti milioni di tonnellate di sale stradale per mantenere le strade navigabili durante la neve e le tempeste di ghiaccio. Il deflusso dalla neve che si scioglie porta il sale stradale in torrenti e laghi e causa straordinariamente molti corpi idrici alta salinità.

Al Rensselaer Polytechnic Institute, mio ​​collega Rick Relyea e il suo laboratorio sta lavorando per quantificare come gli aumenti della salinità influenzano gli ecosistemi. Non sorprendentemente, hanno scoperto che l'alta salinità ha impatti negativi su molte specie. Hanno anche scoperto che alcune specie hanno la capacità di far fronte a questi aumenti di salinità.

Ma questa abilità ha un prezzo. In un recente studio, Rick e io abbiamo analizzato come una specie comune di zooplancton, Daphnia pulex, si adatta a livelli crescenti di sale stradale. Abbiamo scoperto che questa esposizione influiva su un ritmo biologico importante: l'orologio circadiano, che può governare Daphniai comportamenti di evitamento di predazione e alimentazione. Dal momento che molti pesci catturano Daphnia, questo effetto potrebbe avere increspature in tutti gli ecosistemi. Il nostro lavoro solleva anche interrogativi sul fatto che il sale, o altri inquinanti ambientali, potrebbero avere impatti simili sull'orologio circadiano umano.

Ritmi biologici giornalieri e l'orologio circadiano

Nello studio del modo in cui il sale stradale influenza gli ecosistemi acquatici, il laboratorio Relyea lo ha dimostrato Daphnia pulex può adattarsi a gestire esposizioni moderate in meno di due mesi e mezzo. Questi livelli variavano da 15 milligrammi di cloruro (un elemento costitutivo di sale) per litro di acqua a un massimo di 1,000 milligrammi per litro, un livello che si trova in laghi altamente contaminati in Nord America.

Tuttavia, la capacità di un organismo di adattarsi a qualcosa nel suo ambiente può anche essere accompagnata da compromessi negativi. La collaborazione del mio laboratorio con Rick's è iniziata nel tentativo di identificare questi compromessi nel sale adattato Daphnia.

In il mio laboratorio, studiamo come i nostri ritmi circadiani permettici di tenere traccia del tempo. Indaghiamo su come le molecole nelle nostre cellule lavorano insieme per spuntare come un orologio. Questi ritmi circadiani consentono ad un organismo di anticipare le oscillazioni 24-hour nel suo ambiente, come i cambiamenti da luce (diurna) a oscurità (notte), e sono essenziale per la salute di un organismo.

Rick e io ipotizzammo che l'adattamento all'alta salinità potesse disturbare Daphnia di ritmi circadiani basati su prove recenti che dimostrano che altri contaminanti ambientali possono interferire comportamento circadiano. Un comportamento importante in Daphnia che può essere controllato dall'orologio circadiano Europe è migrazione verticale diel - la più grande migrazione giornaliera di biomassa sulla Terra, che si verifica in oceani, baie e laghi. Plancton e pesci migrano verso l'acqua più profonda durante il giorno per evitare i predatori e i danni del sole e risalire verso la superficie durante la notte per nutrirsi.

Dato ciò che sappiamo sulla funzione circadiana, sarebbe logico supporre che l'esposizione all'inquinamento non influenzi i ritmi circadiani di un organismo. Mentre gli orologi circadiani possono incorporare informazioni ambientali per comunicare l'ora del giorno, lo sono fortemente tamponato contro la maggior parte degli effetti ambientali.

Per comprendere l'importanza di questo buffering, immagina che i tempi della durata del giorno di un organismo rispondano alla temperatura ambientale. Il calore accelera le reazioni molecolari, quindi nei giorni caldi il ritmo 24-ora dell'organismo potrebbe diventare 20 ore e nei giorni freddi potrebbe diventare 28 ore. In sostanza, l'organismo avrebbe un termometro, non un orologio.

L'adattamento all'inquinamento colpisce i principali geni circadiani

Per determinare se l'interruzione dell'orologio è un trade-off per l'adattamento degli inquinanti, dovevamo prima stabilirlo Daphnia è governato da un orologio circadiano. Per fare questo, abbiamo identificato i geni in Daphnia che sono simili a due geni, conosciuti come periodo ed orologio, in un organismo che funge da sistema modello circadiano: Drosophila melanogaster, la mosca della frutta comune.

Abbiamo monitorato i livelli di periodo ed orologio in Daphnia, mantenendo gli organismi in costante oscurità per garantire che uno stimolo luminoso non ha influenzato questi livelli. I nostri dati hanno mostrato che i livelli di periodo ed orologio variato nel tempo con un ritmo 24-ora - una chiara indicazione di ciò Daphnia avere un orologio circadiano funzionale

Abbiamo anche rintracciato gli stessi geni nelle popolazioni di Daphnia che si era adattato all'aumento della salinità. Con mia grande sorpresa, abbiamo scoperto che la variazione giornaliera di periodo ed orologio livelli deteriorati direttamente con il livello di salinità Daphnia sono stati adattati a. In altre parole, come Daphnia adattato ai livelli di salinità più elevati, hanno mostrato meno variazioni nei livelli di periodo ed orologio durante il giorno. Questo lo ha dimostrato DaphniaL'orologio è infatti influenzato dall'esposizione agli inquinanti.

Le dafnie e altri plancton sono tra gli organismi più abbondanti sulla Terra e svolgono ruoli ecologici critici.

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Al momento non capiamo che cosa causa questo effetto, ma la relazione tra i livelli di salinità e la variazione diminuita nei livelli di periodo ed orologio offre un indizio Sappiamo che l'esposizione a sostanze inquinanti provoca la Daphnia regolazione epigenetica - cambiamenti chimici che influenzano la funzione dei loro geni, senza alterare il loro DNA. E i cambiamenti epigenetici mostrano spesso una risposta graduale, diventando più pronunciati all'aumentare del fattore causale. Pertanto, è probabile che l'alta salinità stia inducendo cambiamenti chimici attraverso questi meccanismi epigenetici in Daphnia sopprimere la funzione del suo orologio circadiano.

Gli ampi effetti delle interruzioni dell'orologio circadiano

Sappiamo che le condizioni ambientali possono influenzare ciò che l'orologio regola in molte specie. Ad esempio, cambiando lo zucchero che il fungo Neurospora crassa Cresce cambia i comportamenti che l'orologio regola. Ma per quanto ne sappiamo, questo studio è il primo a dimostrare che i geni dell'orologio interno di un organismo possono essere direttamente influenzati dall'adattamento a un contaminante ambientale. La nostra scoperta suggerisce che, proprio come gli ingranaggi di un orologio meccanico possono arrugginire nel tempo, l'orologio circadiano può essere influenzato in modo permanente dall'esposizione ambientale.

Questa ricerca ha implicazioni importanti. Primo, se Daphnia di l'orologio circadiano regola la sua partecipazione alla migrazione verticale diel, quindi interrompere l'orologio potrebbe significare questo Daphnia non migrare nella colonna d'acqua. Daphnia sono i principali consumatori di alghe e una fonte di cibo per molti pesci, interrompendo così i loro ritmi circadiani potrebbe influenzare interi ecosistemi.

In secondo luogo, i nostri risultati indicano che l'inquinamento ambientale può avere effetti più ampi sugli esseri umani di quanto non si intendesse in precedenza. I geni e i processi in Daphnia di l'orologio è molto simile a quelli che regolano l'orologio negli umani. I nostri ritmi circadiani controllano i geni che creano oscillazioni cellulari che influiscono sulla funzione, divisione e crescita cellulare, insieme a parametri fisiologici come la temperatura corporea e le risposte immunitarie.

L'orologio circadiano umano regola i cicli di molte funzioni corporee. NIH

Quando questi ritmi sono perturbati negli esseri umani, vediamo un aumento dei tassi di cancro, diabete, obesità, malattie cardiache, depressione e molte altre malattie. Il nostro lavoro suggerisce che l'esposizione agli inquinanti ambientali potrebbe deprimere la funzione degli orologi umani, il che potrebbe portare a un aumento dei tassi di malattia.

Stiamo continuando il nostro lavoro studiando come la distruzione di DaphniaL'orologio diurno influenza la sua partecipazione alla migrazione verticale diel. Stiamo anche lavorando per determinare le cause alla base di questi cambiamenti, per stabilire se e come ciò potrebbe accadere nel cervello umano. Gli impatti che abbiamo trovato in Daphnia dimostrare che anche una sostanza semplice come il sale può avere effetti estremamente complessi sugli organismi viventi.

Circa l'autore

Jennifer Marie Hurley, ricercatrice di scienze biologiche, Rensselaer Polytechnic Institute

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.

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