Как планктонът се изморява от пътуване Understand article

Превод Ралица Алексова. Една от най-мащабните миграции в света може би е ръководена от хормон, който управлява нашия сън.

Мелатонин е жизненоважен хормон за поддържането на дневния ритъм и сън при хората. Учени от Европейската Лаборатория за Молекулярна Биология (EMBL) в Хайделберг, Германия са открили, че той управлява и нощната миграция на вид планктон от повърхността към по-дълбоки води (Tosches et al 2016).

В гръбначните животни, мелатонинът има ключова роля за контролирането на ритъма на телесна активност и подсигуряването на редовен ритъм при редуването на ден и нощ в рамките на 24 часа. Когато прелитаме над няколко часови зони, това редуване е нарушено и обичайният ни ритъм излиза извън синхрон и се чувстваме изморени от поолета.

Практически всички животни произвеждат мелатонин и той играе подобна роля във всички видове, включително някои микроорганизми, за които учените смятат че приличат на нашите далечни предшественици. Разкриването на ролята на мелатонина в тези примитивни организми може да ни помогне да разберем еволюцията на собствената ни нервна система.
 

Как хората влизат в синхрон

Въпреки че подобни механизми има и в други видове, хората са едно от най-изучаваните животни във връзка с разбирането на циркадните ритми. Циркадните ритми зависят само от светлината и основно се контролират от очите. Човешката ретина е полезна не само за това да виждаме съзнателно нещата, но играе и ролята на светлинен сензор, като позволява да настроим функциите на тялото си спрямо количеството светлина в заобикалящата ни среда. Ретината съдържа малък процент (приблизително 1%) много специфични фоторецептори наречени вродено фоточуствителни ретинални ганглиални клетки (intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs), които са директо свързани с централния часовник на тялото в мозъка и произвеждат молекула наречена меланопсин.

Клетките ipRGC усещат само силата на светлината, и са активирани да произвеждат меланопсин само когато има много светлина, и по специално – синя светлина, а спират производството през нощта когато силата на светлината е по-ниска. Меланопсин се освобождава директно в централния часовник на тялото в мозъка, намиращ се точно над мястото, където се пресичат двата оптични нерва – неговото име е супрахиазматично ядро (suprachiasmatic nucleus, SCN), ядрото над пресечната точка.

Чрез каскада от реакции, меланопсин пречи на производството на мелатонин в хипофизата, друг район в мозъка. В последствие, мелатонин се произвежда само в тъмните часове, през нощта. Мелатонинът играе основна роля в почти всички телесни функции^w1, като например ритъма на сън или температура; телесната температура пада с приблизително 1^oC от деня до нощта.

За да осигури правилното функциониране всеки ден, без значение от времето, тялото се адаптира не само към силата на светлината, но и към скорошната си история за излагане на светлина. По начин, който още не е напълно разбран, меланопсин пази спомен за скорошното излагане. Когато ритъма на това излагане се промени, например по време на пътуване през няколко часови зони, ритъмът е нарушен и ни трябват няколко дни преди да влезем в синхрон, причинявайки умора от пътуване.

Миграция на планктона

Мелатонин има и в други видове, дори микроскопични такива, които нямат толкова много различни функции като хората: каква е ролята му за тях? За да разберат, Детлев Арендт и неговите колеги от EMBL се обърнаха към морския нереиден червей Platynereis dumerilii, миниатюрно същество, за което се смята, че е много подобно на първите животни с мозък и нервна система, които са се появили на Земята.

Ларвите на този червей участват в нещо описано като най-голямата световна миграция по отношение на биомаса: ежедневното вертикално движение на планктон в океана. Като загребват с миниатюрни „перки“ – реснички – подредени като колан през средата на тялото им, ларвите на червея могат да мигрират към морската повърхност всеки ден.  На смрачаване достигат повърхността, а прекарват нощта в потъване към по-дълбоки води, където са скрити от вредните УВ лъчи в средата на деня.

„Открихме, че група от многофункционални клетки в мозъка на тези ларви усеща светлината и ръководи вътрешен часовник, който произвежда мелатонин през нощта,“ казва Детлев. „Затова ние смятаме, че мелатонин е съобщението, което тези клетки произвеждат през нощта, за да регулират активността на други неврони и в крайна сметка да управляват денонощно ритмичното поведение.

Мария Антоанета Тошес, постдокторален изследовател в лабораторията на Арендт, откри група специализирани моторни неврони, които отговарят на мелатонин. Използвайки модерни молекулярни сензори, тя видя активността на тези неврони в мозъка на ларвата и откри, че се променя драстично между деня и нощта. Произвеждането на мелатонин през нощта поражда промени в активността на тези неврони, което на свой ред кара ресничките да не се движат за дълги периоди от време. Благодарение на тези удължени паузи, ларвата бавно потъва. През деня, мелатонин не се произвежда, ресничките правят по-малки паузи и ларвата изплува нагоре. „Когато изложихме ларвите на мелатонин през деня, те преминаха в нощен режим на поведение,“ казва Тошес. „Все едно се бяха изморили от летене.“

От Platynereis до човешкия мозък

Проучванията твърдо сочат към факта, че светлочувствителните клетки произвеждащи мелатонин в основата на нощната миграция на ларвите имат еволюционни роднини в човешкия мозък. Това навежда на мисълта, че клетките, които контролират нашите ритми на будност и сън са еволюирали първо в океана преди стотици милиони години, в отговор на натиска да се отдалечим от слънцето.

„Стъпка по стъпка можем да разгадаем еволюционния произход на ключови функции в мозъка. Невероятната картина, която се оформя, е основана на някои дълбоко запазени, основни аспекти на океанската екология, които са доминирали живота на Земята от древни еволюционни времена,“ заключава Детлев.

References

• Tosches MA, Bucher D, Vopalensky P, Arendt D (2014) Melatonin signaling controls circadian swimming behavior in marine zooplankton. Cell 159: 46–57. doi: 10.1016/j.cell.2014.07.042

Web References

• w1 – Някои от основните роли на мелатонина в тялото са обяснени в тази статия от Medical News Today: www.medicalnewstoday.com/articles/232138.php

Resources

• Тази статия е основана на пълния разказ за откритието от групата на Арендт в уебсайта на EMBL, който можете да прочетете на: Furtado Neves S (2014) How plankton gets jet lagged. 25 Sep, http://news.embl.de/science/1409_plankton-jetlag/

Institutions

Author(s)

Изабел Клинг е работила като биохимик и комуникатор на наука, а след това е основала редица проекти за научна комуникация в Канада и Европа. Сега е един от редакторите за Science in School в EMBL.

Review

Всеки ученик променя навиците си на сън, когато пораства. Трябва да се нагаждат с изискванията на графика си, понякога против техния циркаден ритъм. Тази статия подканя учениците да разберат основата на тяхното време за най-добри постижения. Разбирането на биологията на циркадните ритми, помага да променим навиците си и дава на учениците самочувствие за собствените им възможности. Тази тема може да промени живота им в бъдеще.

Статията може да бъде използвана за следните упражнения в час:

• Мелатонин като „лекарство“ за умора от пътуване: обяснете в кои обстоятелства би имало смисъл – когато пътуваме на изток или на запад – като вземем в предвид часа.
• Начертайте графика на връзката между ден/нощ и производството на меланопсин/мелатонин в мозъка.
• Използвайте интернет, за да определите светлочувствителните области в човешкото тяло.

Фридлинде Крочек, Австрия

License

CC-BY

CC BY

Download

Download this article as a PDF