Πως το πλαγκτόν γίνεται jet-lagged Understand article

Μεταφρασμένο από την Μαρία Δ. Γεωργίτσου (Maria Georgitsou). Μία από τις μεγαλύτερες μεταναστεύσεις του κόσμου πιθανόν να καθοδηγείται από ορμόνη που ρυθμίζει τις…

Η μελατονίνη είναι μία ορμόνη απαραίτητη για την διατήρηση του καθημερινού λειτουργικού ρυθμού και ύπνου στους ανθρώπους.  Οι επιστήμονες στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο της Μοριακής Βιολογίας (European Molecular Biology Laboratory, EMBL) στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας, ανακάλυψαν ότι η ορμόνη αυτή επιπρόσθετα κατευθύνει την νυχτερινή μετανάστευση ενός πλαγκτονικού είδους από τα επιφανειακά προς τα βαθύτερα ύδατα (Tosches et al 2016).

Στα σπονδυλωτά, η μελατονίνη παρέχει κύριους ρόλους στον έλεγχο των συνήθειων των δραστηριοτήτων του σώματος και στην εξασφάλιση της ύπαρξης κανονικού ρυθμού μεταξύ της διακύμανσης της ημέρας και της νύχτας κατά το 24ωρο.  Η διακύμανση αυτή όμως διακόπτεται όταν διασχίζουμε διαφορετικές χρονικές ζώνες στη διάρκεια της πτήσης, με αποτέλεσμα να γίνεται αποσυγχρονισμός στις κανονικές συνήθειές μας και αισθανόμαστε τζετ-λαγκντ (jet-lagged).

Σχεδόν όλα τα ζώα έχουν μελατονίνη.  Ο ρόλος της είναι παρόμοιος σε όλα τα είδη, συμπεριλαμβάνοντας μερικούς μικροοργανισμούς στους οποίους επιστήμονες πιστεύουν ότι μοιάζουν στους πολύ μακρινούς προγόνους μας.  Μερικές ενδείξεις στο πως εξελίχθηκε το νευρικό μας σύστημα μπορούν να υπάρχουν στην κατανόηση του ρόλου της μελατονίνης σε αυτούς τους αρχέγονους οργανισμούς.

Πως συγχρονίζονται οι άνθρωποι

Αν και παρόμοιοι μηχανισμοί υπάρχουν σε άλλα είδη, οι άνθρωποι είναι πράγματι ένα από τα πιο μελετημένα ζώα όταν πρόκειται να κατανοηθεί ο κιρκαδικός ρυθμός.  Ο  ρυθμός αυτός εξαρτάται μόνο από το φως και ελέγχεται κυρίως από το μάτια.  Ο αμφιβληστροειδής χιτώνας του ανθρώπου δεν είναι χρήσιμος μόνο για να βλέπουμε πράγματα συνειδητά αλλά παίζει σημαντικό ρόλο ως φωτοαισθητήρας, επιτρέποντας να προσαρμόζουμε τις λειτουργίες του σώματος ανάλογα με την ποσότητα του φωτός στο περιβάλλον μας.  Ο χιτώνας αυτός περιέχει ένα μικρό ποσοστό (περίπου 1%) των πολύ συγκεκριμένων φωτοϋποδοχέων που ονομάζονται φωτοευαίσθητα κύτταρα των γαγγλιακών κυττάρων του αμφιβληστροειδούς (intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs), και είναι άμεσα συνδεδεμένα με το κεντρικό ρολόι του εγκεφάλου όπου παράγουν την ουσία  μελανοψίνη.

Τα κύτταρα αυτά ανιχνεύουν μόνο την ένταση του φωτός: ενεργοποιούνται και παράγουν μελανοψίνη όταν υπάρχει πολύ φως, ιδιαίτερα το μπλε, και σταματούν να παράγουν τη νύχτα όταν η ένταση του φωτός είναι μικρότερη.  Η μελανοψίνη απελευθερώνεται απευθείας μέσα στο κεντρικό ρολόι του σώματος στον εγκέφαλο, το οποίο βρίσκεται ακριβώς πάνω από το χίασμα των δύο οπτικών νεύρων. Η  επιστημονική ονομασία του είναι υπερχιασματικός πυρήνας (suprachiasmatic nucleus, SCN) δηλαδή, ο πυρήνας πάνω από τη διασταύρωση.

Μέσω διαδοχικών αντιδράσεων, η μελανοψίνη αναστέλλει την παραγωγή της μελατονίνης στην επίφυση, άλλη περιοχή του εγκεφάλου.  Ως συνέπεια, η μελατονίνη παράγεται μόνο κατά τις σκοτεινές ώρες – το βράδυ.  Η μελατονίνη παίζει σημαντικό ρόλο σε σχεδόν όλες τις λειτουργίες του σώματος^w1 , όπως στις συνήθειες του ύπνου, ή στην θερμοκρασία η οποία μειώνεται περίπου 1 °C από την ημέρα στη νύχτα.    

Για να εξασφαλιστεί ότι όλες οι λειτουργίες πραγματοποιούνται σωστές κάθε ημέρα ανεξάρτητα από τον καιρό, το σώμα δεν προσαρμόζεται μόνο στην ένταση του φωτός που βλέπει αυτή τι στιγμή, αλλά και στο πρόσφατο ιστορικό της έκθεσης του στο φως.  Με ένα τρόπο που δεν έχει ακόμα κατανοηθεί, η μελανοψίνη κρατάει σε μνήμη της πρόσφατης έκθεσης στο φως.  Όταν αλλάζει η συνήθεια της έκθεσης όπως για παράδειγμα, κατά την διάρκεια ταξιδιού διασχίζοντας πάνω από αρκετές χρονικές ζώνες, ο ρυθμός της διαταράσσεται και χρειάζεται μερικές ημέρες για να συγχρονιστεί, προκαλώντας τζετ λαγκ.  

Η μετανάστευση του πλαγκτού

Η μελατονίνη εντοπίζεται και σε άλλα είδη, ακόμα σε μικροσκοπικά τα οποία δεν έχουν τόσες λειτουργίες όσες αυτές των ανθρώπων: ποιος είναι ο ρόλος της σε αυτά τα είδη; Για να μάθουν, ο Ντέτλεβ Άρεντ (Detlev Arendt) και οι συνεργάτες του στο EMBL στράφηκαν στο θαλάσσιο δακτυλιοσκώληκα Platynereis dumerilii, ένα μικρό πλάσμα που θεωρείται ότι έχει πολλές ομοιότητες με τα πρώτα ζώα που εμφανίστηκαν στη Γη τα οποία είχαν εγκέφαλο και νευρικό σύστημα.

Οι προνύμφες των σκουληκιών αυτών λαμβάνουν μέρος σε αυτό που περιγράφεται από πλευράς βιομάζας, την μεγαλύτερη μετανάστευση της Γης: την ημερήσια κάθετη μετακίνηση του πλαγκτού στον ωκεανό.  Χτυπώντας μια σειρά από μικροσκοπικά «πτερύγια,»  τις βλεφαρίδες, που είναι τοποθετημένα σε μια λουρίδα γύρω από κεντρικό σημείο του οργανισμού, οι προνύμφες μπορούν να μεταναστεύσουν προς την επιφάνεια της θάλασσας κάθε ημέρα.  Φτάνουν εκεί το σούρουπο και μετά, κατά την διάρκεια της νύχτας επιστρέφουν πίσω στα πιο βαθιά ύδατα, όπου προστατεύονται από τις επικίνδυνες υπεριώδες (UV) ακτινοβολίες οι οποίες μεγιστοποιούνται στις μεσημεριανές ώρες της ημέρας.  

«Βρήκαμε ότι μια ομάδα πολύ- λειτουργικών κυττάρων στον εγκέφαλο των προνυμφών αυτών ανιχνεύουν το φως και διευθύνουν το εσωτερικό ρολόι που παράγει μελατονίνη τη νύχτα,» λέει ο Ντέτλεβ.  «Έτσι πιστεύουμε ότι το μήνυμα που παράγεται από αυτά τα κύτταρα τη νύχτα είναι η μελατονίνη και ρυθμίζεται η δραστηριότητα των άλλων νευρώνων που στην ουσία οδηγεί στη ρυθμική συμπεριφορά ημέρας – νύχτας.»

Η Μαρία Αντονιέτα Τόσχες (Maria Antonietta Tosches), μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο εργαστήριο του Άρεντ, ανακάλυψε μία ομάδα εξειδικευμένων κινητικών νευρώνων που ανταποκρίνονται στην μελατονίνη. Χρησιμοποιώντας σύγχρονους μοριακούς ανιχνευτές, κατάφερε να οπτικοποιήσει  την δραστηριότητα των νευρώνων αυτών στον εγκέφαλο των προνυμφών.  Ανακάλυψε ότι η δραστηριότητα αυτή αλλάζει δραματικά από ημέρα σε νύχτα. Η νυχτερινή παραγωγή της μελατονίνης οδηγεί σε αλλαγές στη δραστηριότητα των νευρώνων αυτών με αποτέλεσμα να προκαλέσει στις βλεφαρίδες των προνυμφών να παύουν για μεγάλα διαστήματα την κινητικότητα τους.  Χάρη στις εκτεταμένες αυτές παύσεις, οι προνύμφες βυθίζονται αργά στο νερό.  Κατά τη διάρκεια της ημέρας δεν παράγεται μελατονίνη, και οι βλεφαρίδες εμφανίζουν λιγότερες παύσεις με αποτέλεσμα να κολυμπούν οι προνύμφες προς την επιφάνεια του νερού.  «Όταν εκθέσαμε τις προνύμφες στην μελατονίνη στη διάρκεια της ημέρας, παρουσίασαν νυχτερινή συμπεριφορά,» λέει η Τόσχες.  «Είναι σαν να ήταν τζετ-λαγκντ.»

Από την Platynereis στον ανθρώπινο εγκέφαλο

Οι έρευνες υποστηρίζουν ότι τα φωτοευαίσθητα κύτταρα που παράγουν μελατονίνη, τα οποία είναι στο επίκεντρο της νυχτερινής μετανάστευσης των προνυμφών αυτών, έχουν εξελικτικοί συγγενείς εντός του εγκεφάλου του ανθρώπου.  Αυτό υποδηλώνει ότι τα κύτταρα τα οποία ελέγχουν τους ρυθμούς ύπνου και αγρυπνίας μας μπορούν να είχαν εξελιχτεί αρχικά, πριν εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια στον ωκεανό, στην απόκριση της πίεσης για την απομάκρυνσή τους από τον ήλιο.

«Μπορούμε να διευκρινίσουμε βήμα-βήμα την εξελικτική προέλευση βασικών λειτουργιών του εγκεφάλου μας.  Η γοητευτική εικόνα αναδύει ότι η βιολογία του ανθρώπου  βρίσκει τις ρίζες της σε μερικές βαθειά συντηρημένες θεμελιώδες πτυχές της θαλάσσιας οικολογίας, στις οποίες επικρατούσε η ζωή στη Γη από τις αρχαίες εποχές της εξέλιξης,» συμπεραίνει ο Ντέτλεβ.

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 – Μερικούς από τους κυριότερους ρόλους της μελατονίνης στο σώμα εξηγούνται σε αυτό το άρθρο από τον διαδικτυακό ιστότοπο Medical News Today: www.medicalnewstoday.com/articles/232138.php

Resources

• Το άρθρο αυτό βασίζεται στην πλήρης αναφορά της ανακάλυψης της ομάδας του Άρεντ στο δικτυακό ιστότοπο του  EMBL, που μπορείτε να διαβάσετε στο: http://news.embl.de/science/1409_plankton-jetlag/

Institutions

Author(s)

Η Ίζαμπελ Κλίνγκ (Isabelle Kling)  εκπαιδεύτηκε ως βιοχημικός και στην επικοινωνία της επιστήμης. Στη συνέχεια ασχολήθηκε με την ίδρυση διαφορετικών προγραμμάτων της επιστημονικής επικοινωνίας στο Καναδά και στην Ευρώπη.  Τώρα είναι μία από τους συντάκτες του περιοδικού Science in School στο EMBL.

Review

Κάθε μαθητής, καθώς μεγαλώνει αλλάζει την συνήθεια του ύπνου του.  Οι μαθητές πρέπει να διαχειριστούν τις απαιτήσεις των προγραμμάτων τους, μερικές φορές εναντίον των κιρκαδικών ρυθμών τους.  Αυτό το άρθρο τους προσκαλεί να καταλάβουν βασικά στοιχεία για να πετυχαίνουν την καλύτερη απόδοση  στην ευνοϊκότερη ώρα .  Κατανοώντας τα βιολογικά δεδομένα που ευθύνονται για τους κιρκαδικούς ρυθμούς, διευκολύνει να γίνουν αλλαγές σε αυτούς και να δοθεί στους μαθητές την αίσθηση της ενδυνάμωσης.  Αυτό το θέμα μπορεί να επηρεάσει τις αλλαγές της ζωής στο μέλλον τους.

Αυτό το άρθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τις παρακάτω ασκήσεις μέσα στην τάξη:

• Η μελατονίνη ως «θεραπεία» για το τζετ λαγκ: να εξηγήσεις σε ποιες περιπτώσεις έχει αυτό νόημα (ταξιδεύοντας δυτικά ή ανατολικά), λαμβάνοντας υπόψη την ώρα της ημέρας.
• Να σχεδιάσεις ένα διάγραμμα σχετίζοντας την ημέρα και τη νύχτα με την έκφραση της μελανοψίνης και της μελατονίνης στον εκγέφαλο.
• Να χρησιμοποιήσεις το διαδίκτυο για να ερμηνεύσεις τις φωτοευαίσθητες περιοχές στο ανθρώπινο σώμα. 

Φριέντλιντ Κρότστεκ (Friedlinde Krotscheck), Αυστρία

License

CC-BY

CC BY

Download

Download this article as a PDF