Kako plankton može doživeti džet- leg Understand article

Prevela Katarina Katanić, Biološki fakultet Univerziteta u Beogradu. Jedna od najobimnijih migracija na svetu je uslovljena hormonom koji reguliše naš san.

Melatonin je hormon esencijalan za održavanje dnevnog ritma i sna kod ljudi. Naučnici iz Evropske laboratorije za Molekularnu biologiju (EMBL) u Hedelberg-u, Nemačka, su otkrili da on takođe reguliše i noćnu migraciju planktonskih vrsta iz površinskih slojeva vode do većih dubina (Tosches et al 2016).

Kod kičmenjaka, melatonin ima glavnu ulogu u kontroli telesnih aktivnosti i osigurava regularan ritam smene dana i noći tokom 24 časa. Kada letimo kroz različite vremenske zone, ova smena je prekinuta, pa naši uobičajeni obrasci nisu sinhronizovani. To osećamo kao izuzetan umor, odnosno kao džet-leg.

Praktično sve životinje imaju melatonin, koji ima sličnu ulogu kod svih vrsta organizama, uključujući i neke mikroorganizme za koje naučnici smatraju da su slični našim dalekim precima. Razumevanje uloge melatonina kod ovih primitivnih organizama može pružiti naznake kako je naš nervni sistem evoluirao.

Kako se ljudi sinhronizuju

Iako slični mehanizmi postoje i kod drugih vrsta, ljudi su jedna od najizučavanijih vrsta među životinjama, kada je reč o razumevanju cirkadijalnog ritma. Cirkadijalni ritam zavisi samo od svetla i uglavnom je kontrolisan preko očiju. Ljudska mrežnjača ne samo što koristi za svesno posmatranje stvari, već ima i ulogu svetlosnog senzora, omogućavajući nam da prilagodimo telesne funkcije količini svetlosti koja nas okružuje. Ona sadrži mali procenat (približno 1%) veoma specifičnih fotoreceptora nazvanih intrinzično fotosenzitivne retinalne ganglionske ćelije (ipRGCs), koje su direktno povezane sa centralnim telesnim časovnikom u mozgu i proizvode molekul zvani melanopsin.

Ove ipRGCs registruju samo intenzitet svetlosti: aktivirane su i proizvode melanopsin kada ima dovoljno svetlosti, preciznije plave svetlosti, odnosno prekidaju proizvodnju noću, kada je intenzitet svetlosti niži. Melanopsin se oslobađa direktno u centralni telesni sat časovnik u mozgu, koji je smešten iznad mesta ukrštanja dva optička nerva – naučno ime mu je suprahijazmatično jedro (SCN), tj. jedro iznad ukrštanja optičkih puteva.

Putem kaskadnih reakcija, melanopsin inhibira proizvodnju melatonina u epifizi, koja se takođe nalazi u mozgu. Kao posledica, melatonin se proizvodi samo tokom mračnog doba dana – noću. Melatonin ima glavnu ulogu u skoro svim telesnim funkcijama^w1, kao što su obrazac spavanja ili temperatura; telesna temperatura se noću spusti za približno 1°C.

Da bi se obezbedilo da se sve funkcije obavljaju na pravilan način, svakog dana, bez obzira na vremenske uslove, telo se ne prilagođava samo na intenzitet svetlosti koje trenutno registruje, već se oslanja i na pamćenje o skorašnjoj izloženosti svetlosti. Na način koji još uvek nije u potpunosti istražen, melanopsin čuva sećanje na poslednju izloženost. Kada se obrazac izloženosti promeni, na primer tokom putovanja kroz nekoliko vremenskih zona, njegov ritam je prekinut i potrebno je nekoliko dana da se postigne sinhronizacija, što uzrokuje tegobe poznate kao džet-leg.

Planktonske migracije

Melatonin je prisutan i u drugim vrstama, čak i onim mikroskopskim koje nemaju toliko različitih funkcija koliko ljudi: koja je njegova uloga kod njih? Da bi to saznao, Detlev Arendt i njegovi saradnici u EMBL su se bavili morskim mnogočekinjastim crvom Platynereis dumerilii, malim stvorenjem za koje se veruje da je veoma slično prvim životinjama na Zemlji kod kojih su se pojavili mozak i nervni sistem.

Larve ovog crva učestvuju u nečemu što je opisano kao najveća migracija na planeti u pogledu biomase: dnevno vertikalno kretanje planktona u okeanu. Pokretanjem niza mikroskopskih ‘peraja’ – cilija – raspoređenih oko njenog središnjeg dela, larva ovog crva može da svaki dan migrira ka morskoj površini. Na površinu stižu u sumrak, i potom kako noć odmiče, povlače se u dubinu, gde se sklanjaju od štetnih UV zraka  tokom dana.

“Otkrili smo da grupa multitasking ćelija mozga ovih larvi su ujedno osetljive na svetlost i pokreću unutrašnji sat za proizvodnju melatonina noću,” priča Detlev. “Zato smatramo da je melatonin poruka koju ove ćelije proizvode noću kako bi regulisale aktivnost drugih neurona, koji na kraju regulišu dnevno–noćno ritmičko ponašanje.

Maria Antonietta Tosches, istraživač na postdoktorskim studijama u Arendetovoj laboratoriji, je otkrila grupu specijalizovanih motornih neurona koji reaguju na melatonin. Koristeći moderne molekularne senzore, uspela je da vizualizuje aktivnost ovih neurona u mozgu larve, i ustanovi da se ona drastično menja od dana do noći. Noćna proizvodnja melatonina dovodi do promena u aktivnosti ovih neurona, što za posledicu ima pojavu dugih pauza tokom pokretanja larvalnih cilija. Zahvaljujući ovim produženim pauzama, larva polako tone. Tokom dana, ne proizvodi se melatonin, cilije prave manje pauze, i larva pliva na gore. “Kada smo izložili larve melatoninu tokom dana, prebacile su se na noćno ponašanje,” priča Tosches. “Bilo je kao da su doživele naglu promenu vremenskih zona.”

Od Platynereis-a do ljudskog mozga

Istraživanja pokazuju da ćelije osetljive na svetlost, koje produkuju melatonin i odgovorne su za ove noćne migracije larvi, imaju svoje evolutivne rođake u ljudskom mozgu. Ovo podrazumeva da su ćelije koje kontrolišu naš ritam spavanja i budno stanje najpre evoluirale u okeanu, stotinama miliona godina pre, kao odgovor na pritisak da se sklone od Sunca.

“Korak po korak, možemo objasniti evolutivno poreklo ključnih funkcija našeg mozga. Fascinantna slika pokazuje da humana biologija ima svoje korene u duboko konzervativnim, fundamentalnim aspektima okeanske ekologije koja je dominirala životom na Zemlji još od najstarijih vremena u evoluciji,” zaključuje Detlev.

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 – Neke od glavnih uloga melatonina u telu su objašnjene u ovom članku iz Medical News Today: www.medicalnewstoday.com/articles/232138.php

Resources

• Ovaj članak je zasnovan na kompletnom izveštaju otkrića  Arendt grupe na EMBL vebsajtu, koji možete pročitati na: Furtado Neves S (2014) How plankton gets jet lagged. 25 Sep, http://news.embl.de/science/1409_plankton-jetlag/

Institutions

Author(s)

Isabelle Kling je biohemičar i naučni komunikator, a nakon školovanja je realizovala razne naučno komunikativne projekte u Kanadi i Evropi. Sada je jedan od urednika Science in School u EMBL.

Review

Svaki učenik menja svoje obrasce spavanja kako raste. Oni moraju da prate zahteve rasporeda, ponekad  i protiv svog cirkadijalnog ritma. Ovaj članak upućuje učenike da bazično razumeju vreme kada najbolje funkcionišu. Razumevanje bioloških činjenica o cirkadijalnim ritmovima omogućava lakšu promenu obrazaca i učenicima pruža osećaj sigurnosti. Ova tema može imati ogroman uticaj na njihov život u budućnosti.

Članak se može iskoristiti za sledeća vežbanja na času:

• Melatonin kao ‘lek’ za džet-leg: objasniti pod kojim okolnostima to ima smisla (kada se putuje na zapad ili istok), uzimajući u obzir i doba dana.
• Nacrtati grafik zavisnosti dana/noći  na ekspresiju melanopsina/melatonina u mozgu
• Koristeći internet, definisati oblasti ljudskog tela osetljive na svetlost.

Friedlinde Krotscheck, Austria

License

CC-BY

CC BY

Download

Download this article as a PDF