Почти все организмы имеют внутренние биологические часы, которые синхронизируют их поведение с окружающей средой, в которой они живут. Эндогенные биологические часы следуют основным циклическим ритмам: 24-часовая смена дня и ночи под влиянием Солнца, 12,4-часовые приливы и отливы, регулируемые лунным циклом, и ежегодные сезонные изменения.
Организмы, живущие на мелководье, по-видимому, подвержены влиянию лунных и приливных циклов в большей степени, чем солнечные, и поэтому в основном проявляют циркатидальные, а не циркадные ритмы. Как следует из названия, около (около) приливная ритмичность представляет собой ~ 12,4-часовой ритм, следующий за приливными колебаниями с его приливами и отливами, которые чередуются примерно каждые шесть часов. Следовательно, приливно-отливные организмы обычно часть дня находятся в воде, а в остальное время остаются незащищенными. Эволюция в среде такого типа, по-видимому, послужила для них очень сильной движущей силой для адаптации эндогенных приливных часов.
Бесчисленные исследования, проведенные за последнее столетие, помогли установить всестороннее понимание того, как работают циркадные часы, и, что важно, какие гены участвуют в их тикании. Эти исследования в основном проводились на обычных биологических модельных организмах, но в последние годы они расширились на другие виды «реального мира», такие как тропические кораллы, древесные обезьяны и многие другие из самых разных мест обитания.
Жизнь на Земле начала свое путешествие в море, вероятно, в значительной степени под влиянием приливного цикла, который, возможно, впоследствии превратился в 24-часовой цикл. Поэтому, чтобы понять, как работает синхронизация, важно сначала понять, как она работает в море, особенно на мелководье.
В ходе первого в своем роде транскриптомного исследования, проводившегося в течение четырех лет, исследователи из Университета Бар-Илан решили широко изучить ритмичность Cellana rota, литорального блюдца. Цель этого исследования заключалась в том, чтобы использовать C. rota для понимания временного ландшафта мира, проявляемого двумя сильными экзогенными ритмами, циркадными и приливными циклами, и их влияния на биологические часы организма. На сегодняшний день в этой области было проведено очень мало исследований, и до сих пор почти ничего не известно о молекулярной основе приливной ритмичности. Результаты их исследований были опубликованы сегодня в журнале Scientific Reports.
В ходе исследования исследователи собрали сотни тысяч изображений с помощью специальной камеры, установленной на берегу моря в Эйлате на юге Израиля. Установка камеры отслеживала популяцию блюдечек в течение нескольких лет днем и ночью. Немногие исследования проводили такие долгосрочные выборки поведения животных с высоким разрешением в такой сложной среде, как приливная зона. Часть этих данных была количественно определена, показывая, что эти блюдца имеют устойчивую приливную ритмичность и, что любопытно, проявляют циркадный компонент в своем поведении только в одно конкретное время года..
Затем исследователи извлекли блюдечек из их естественной среды обитания во время приливов и отливов и доставили их в лабораторию, где они содержались в постоянных условиях, то есть без приливных или циркадных сигналов, чтобы установить, что они действительно обладают внутренними часами, а не просто ведут себя в соответствии с приливами и отливами. Исследователи правильно предсказали, что если у организма есть внутренние часы, он будет продолжать вести себя как приливы в лаборатории, что они и сделали. Затем блюдца содержались в этих постоянных условиях в течение более длительных периодов времени, чтобы десинхронизировать их ритмичность. Затем исследователи создали аквариум с новым механизмом, который опрыскивал их водой каждые 12,4 часа, имитируя цикл приливов и отливов. Эта процедура еще раз приучила блюдечек к подражанию ритму, которому они подвержены в природе.
«Мы установили, что у блюдечек есть приливно-отливный ритм. В лабораторных условиях они вообще не учитывали смену дня и ночи», - говорит Исраэль Шнитцер из факультета наук о жизни Мины и Эверарда Гудман в Университет Бар-Илан, который провел исследование в рамках своей докторской диссертации под руководством профессора Яира Ачитува и профессора Орена Леви.
Исследователи впоследствии вернулись в Эйлат и дважды в течение 48 часов брали пробы блюдечек с валуна каждые четыре часа в течение 48 часов. Они хотели получить образец с высоким разрешением, который помог бы расшифровать характер экспрессии генов блюдечек с течением времени.
Исследователи работали в сотрудничестве с докторомМали Салмон-Дивон из Университета Ариэля, а также доктор Хиба Вальдман Бен Ашер из Университета Бар-Илан, которые составили транскриптом. Они также сотрудничали с профессором Майклом Хьюзом и доктором Цзяцзя Ли из Медицинской школы Вашингтонского университета, которые провели анализ ритмичности транскриптома. «Мы обнаружили, что гораздо больше генов экспрессируется в приливных, а не циркадных ритмах, что неудивительно, учитывая то, что мы видели в море и в лаборатории», - говорит Шнитцер. Это контрастирует с предыдущими исследованиями, которые предполагали, что даже в приливной зоне преобладает циркадный цикл. Что еще более важно, исследователи обнаружили, что ни один из основных генов циркадных часов не проявлял типичного циркадного ритма. В основном они были аритмичными, что было замечено другими исследователями, изучающими немодельные морские организмы, особенно те, которые обитают в приливной зоне. Однако они обнаружили, что некоторые гены, которые, как известно, связаны с циркадными часами, хотя и не в своей основе, проявляют приливную ритмичность.
Это приводит нас к мысли, что приливные и циркадные часы являются либо одним и тем же, и что существует определенная пластичность в том, как эти гены экспрессируются в различных условиях окружающей среды, или что, по крайней мере, некоторые из «предполагаемые» гены циркадных часов участвуют в обоих механизмах синхронизации, но суть этих часов все еще ускользает от нас…», - говорит Шнитцер.
На сегодняшний день эти исследователи первыми провели такое комплексное исследование, сочетающее долгосрочные наблюдения в природе, а также лабораторные исследования, подкрепленные транскриптомным исследованием. Они предоставили дополнительные подсказки, в том числе контрольный список генов, возможно, связанных с приливными «часами», которые приближают нас к пониманию того, как работает этот уклончивый механизм, который, как указано выше, возможно, предшествует нашим собственным часам.