Циркадные часы должны быть гибкими и уметь адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. В противном случае живые существа не смогли бы изменить свои модели деятельности, когда дни снова станут короче, как это происходит сейчас. Ведь дрозофиле, также известной как обыкновенная плодовая муха, уже не нужна длительная сиеста осенью для защиты от чрезмерной жары и хищников, как в середине лета, по крайней мере, в наших широтах. В то же время муха должна сместить свой вечерний пик активности на несколько часов вперед, если не хочет в конечном итоге жужжать в темноте.
Для плодовой мушки, чтобы приспособиться к смене ритмов дня и ночи, ее циркадные часы должны быть в состоянии обрабатывать внешние сигналы, так называемые zeitgebers, которые используются для синхронизации молекулярных и физиологических свойств организма. Свет - самый важный zeitgeber, который муха использует для этого.
Публикация в Current Biology
Ученые из отдела нейробиологии и генетики Вюрцбургского университета уже некоторое время исследуют взаимодействие света, фоторецепторов и циркадных часов у плодовой мушки. Заведующая кафедрой Шарлотта Фёрстер вместе со своим бывшим коллегой Матиасом Шлихтингом, который в настоящее время работает в Университете Брандейса (Массачусетс, США), выяснили новые и неожиданные детали этого взаимодействия. Результаты своих исследований они представляют в текущем выпуске журнала Current Biology.
«У млекопитающих сочетание традиционного фоторецепторного пути (палочки и колбочки сетчатки) и циркадного фоторецептора меланопсина в ганглиозных клетках сетчатки позволяет точно настроить синхронизацию часов», - объясняет Шарлотта Фёрстер. Она говорит, что у дрозофилы есть аналогичный механизм: «Сложные глаза, экстраретинальные глазки Хофбауэра-Бюхнера и циркадный фоторецепторный криптохром работают вместе в процессе синхронизации света», - резюмирует профессор главный результат недавно опубликованного исследования.
Из более ранних исследований известно, как работает фоторецепторный криптохром. Расположенный в особых нервных клетках, так называемых часовых нейронах, он взаимодействует с белком вневременных часов во время воздействия света, что приводит к деградации белка. Образно говоря, он возвращает часы к нулю. Однако меньше известно об обмене между глазами плодовой мушки и часовыми нейронами и о том, как опосредуется разная продолжительность дня.
Эксперименты с разной продолжительностью дня
Для своего исследования ученые работали с разными экземплярами плодовых мушек. Они использовали здоровых мух, безглазых мух и мух, лишенных специфических зрительных пигментов глаза, так называемых родопсинов. Во время лабораторных экспериментов насекомые подвергались различным световым условиям: при постоянной продолжительности дня в 24 часа исследователи увеличивали световой период с двухчасовыми интервалами с двенадцати до максимум 20 часов и наблюдали за характером активности насекомых. соответствующие группы мух.
Оказалось, что активность насекомых менялась с увеличением продолжительности светового дня. Когда периоды света и темноты регулярно чередуются каждые двенадцать часов, что соответствует типичному дню на экваторе, здоровые мухи становятся активными дважды: во время «восхода солнца» и перед имитацией «заката». По мере того, как дни становятся длиннее, вечерняя активность также задерживается, а «сиеста» - период полуденного отдыха - удлиняется. Поразительно, однако, что по мере увеличения периодов дневного света вечерний пик активности отклоняется от смоделированного заката и в некоторых случаях наступает намного раньше. Наибольшее отклонение происходит, когда световой день длится 20 часов, вероятно, потому, что мухи никогда не сталкиваются с такими условиями в своей естественной среде.
Открытие в сложном глазу
В поисках молекулярных и нейронных механизмов, которые плодовая мушка использует для «точной настройки» своих циркадных часов, нейробиологам пришлось провести многочисленные эксперименты. Эксперименты на плодовых мушках, у которых не было этих глаз, показали, что сложные глаза играют ключевую роль. Пик их активности также откладывался по мере увеличения продолжительности светового дня, но гораздо меньше, чем у их видящих родственников. Были проведены дополнительные эксперименты, чтобы точно определить, какая рецепторная клетка и зрительный пигмент ответственны за это. В конце концов, каждая грань сложного глаза мухи имеет восемь рецепторных клеток и пять родопсинов. Поэтому ученые выборочно отключали отдельные клетки, пока не стало ясно, что рецепторная клетка 8 и встречающиеся там родопсины 5 и 6 были их мишенями.
Затем ученые исследовали, как световой сигнал достигает мозга плодовой мушки и как он проходит оттуда к часовым нейронам. Удивительно, но они обнаружили, что в то время как сигнал передается через так называемые «маленькие боковые часовые нейроны» во время «умеренных» световых периодов, он проходит через «большие боковые часовые нейроны» в 20-часовых световых экспериментах.«Хотя циркадные часы плодовой мушки сравнительно невелики и содержат всего 150 нейронов, система в целом обладает высокой пластичностью», - резюмирует Шарлотта Фёрстер результаты исследования и объясняет, что пластичность нейронов необходима для того, чтобы животные могли быстро приспосабливаться к новым условиям. различные условия.