Đường phố muối ở Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Mỗi mùa đông, chính quyền địa phương trên khắp Hoa Kỳ áp dụng hàng triệu tấn muối đường để giữ cho đường phố có thể điều hướng trong cơn bão tuyết và băng. Dòng chảy từ tuyết tan chảy mang theo muối đường vào suối và hồ, và khiến nhiều cơ thể có nước đặc biệt độ mặn cao.

Tại Học viện Bách khoa Rensselaer, đồng nghiệp của tôi Rick Relyea và phòng thí nghiệm của ông đang làm việc để định lượng mức độ tăng độ mặn ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Không có gì đáng ngạc nhiên, họ đã phát hiện ra rằng độ mặn cao tác động tiêu cực đến nhiều loài. Họ cũng đã phát hiện ra rằng một số loài có khả năng đối phó với sự gia tăng độ mặn này.

Nhưng khả năng này có giá. Trong một nghiên cứu gần đây, Rick và tôi đã phân tích cách một loài động vật phù du phổ biến, Daphnia pulex, thích nghi với mức độ muối đường ngày càng tăng. Chúng tôi thấy rằng sự tiếp xúc này ảnh hưởng đến một nhịp sinh học quan trọng: Đồng hồ sinh học, có thể chi phối Daphniacho ăn và hành vi tránh ăn thịt. Vì nhiều con mồi Daphnia, hiệu ứng này có thể có những gợn sóng trên toàn bộ hệ sinh thái. Công việc của chúng tôi cũng đặt ra câu hỏi về việc liệu muối, hoặc các chất gây ô nhiễm môi trường khác, có thể có tác động tương tự đối với đồng hồ sinh học của con người hay không.

Nhịp sinh học hàng ngày và đồng hồ sinh học

Trong nghiên cứu về cách muối đường ảnh hưởng đến hệ sinh thái dưới nước, phòng thí nghiệm Relyea đã chỉ ra rằng Daphnia pulex có thể thích ứng để xử lý phơi sáng vừa phải trong ít nhất là hai tháng rưỡi. Các mức này dao động từ 15 miligam clorua (một khối muối xây dựng) trên một lít nước đến mức cao milligram milligram mỗi lít - một mức độ được tìm thấy trong các hồ bị ô nhiễm nặng ở Bắc Mỹ.

Tuy nhiên, khả năng thích nghi với thứ gì đó trong môi trường của một sinh vật cũng có thể đi kèm với sự đánh đổi tiêu cực. Sự hợp tác trong phòng thí nghiệm của tôi với Rick bắt đầu trong nỗ lực xác định những sự đánh đổi này trong điều chỉnh muối Daphnia.

In phòng thí nghiệm của tôi, chúng tôi nghiên cứu làm thế nào nhịp sinh học của chúng tôi cho phép chúng tôi theo dõi thời gian. Chúng tôi điều tra làm thế nào các phân tử trong các tế bào của chúng tôi làm việc cùng nhau để đánh dấu như một chiếc đồng hồ. Những nhịp sinh học này cho phép một sinh vật dự đoán các dao động giờ 24 trong môi trường của nó, chẳng hạn như thay đổi từ ánh sáng (ban ngày) sang tối (ban đêm) và cần thiết cho thể dục của một sinh vật.

Rick và tôi đưa ra giả thuyết rằng sự thích nghi với độ mặn cao có thể phá vỡ Daphnia nhịp sinh học dựa trên bằng chứng gần đây cho thấy các chất gây ô nhiễm môi trường khác có thể phá vỡ hành vi sinh học. Một hành vi quan trọng trong Daphnia việc này có thể được kiểm soát bởi đồng hồ sinh học là diel dọc diel - sự di cư sinh khối hàng ngày lớn nhất trên Trái đất, xảy ra ở các đại dương, vịnh và hồ. Sinh vật phù du và cá di cư xuống vùng nước sâu hơn vào ban ngày để tránh động vật ăn thịt và ánh nắng mặt trời, và quay trở lại bề mặt vào ban đêm để kiếm ăn.

Dựa vào những gì chúng ta biết về chức năng sinh học, sẽ hợp lý khi cho rằng việc tiếp xúc với ô nhiễm sẽ không ảnh hưởng đến nhịp sinh học của sinh vật. Trong khi đồng hồ sinh học có thể kết hợp thông tin môi trường để cho biết thời gian trong ngày, chúng là được đệm rất nhiều chống lại hầu hết các tác động môi trường.

Để hiểu tầm quan trọng của bộ đệm này, hãy tưởng tượng rằng thời gian của chiều dài ngày của sinh vật phản ứng với nhiệt độ môi trường. Nhiệt làm tăng tốc độ phản ứng phân tử, vì vậy vào những ngày nóng, nhịp giờ 24 của sinh vật có thể trở thành 20 giờ, và vào những ngày lạnh, nó có thể trở thành 28 giờ. Về bản chất, sinh vật sẽ có nhiệt kế chứ không phải đồng hồ.

Thích ứng với ô nhiễm ảnh hưởng đến các gen sinh học quan trọng

Để xác định xem sự gián đoạn đồng hồ có phải là sự đánh đổi để thích ứng với chất ô nhiễm hay không, trước tiên chúng ta phải thiết lập điều đó Daphnia được điều chỉnh bởi một đồng hồ sinh học. Để làm điều này, chúng tôi đã xác định các gen trong Daphnia tương tự như hai gen, được gọi là thời gian và đồng hồ, trong một sinh vật phục vụ như một hệ thống mô hình sinh học: Drosophila melanogaster, ruồi giấm thông thường.

Chúng tôi đã theo dõi các cấp độ của thời gian và đồng hồ in Daphnia, giữ cho các sinh vật trong bóng tối liên tục để đảm bảo rằng một kích thích ánh sáng không ảnh hưởng đến các mức này. Dữ liệu của chúng tôi cho thấy mức độ của thời gian và đồng hồ thay đổi theo thời gian với nhịp điệu 24 giờ - một dấu hiệu rõ ràng cho thấy Daphnia có một đồng hồ sinh học chức năng.

Chúng tôi cũng theo dõi các gen tương tự trong quần thể Daphnia đã thích nghi với độ mặn tăng lên. Thật ngạc nhiên, chúng tôi đã phát hiện ra rằng sự thay đổi hàng ngày của thời gian và đồng hồ mức độ xuống cấp trực tiếp với mức độ mặn của Daphnia đã thích nghi với. Nói cách khác, như Daphnia thích nghi với mức độ mặn cao hơn, chúng cho thấy ít thay đổi hơn về mức độ thời gian và đồng hồ qua ngày Điều này đã chứng minh rằng DaphniaĐồng hồ thực sự bị ảnh hưởng bởi tiếp xúc với chất ô nhiễm.

Daphnia và các sinh vật phù du khác là một trong những sinh vật phong phú nhất trên Trái đất và đóng vai trò sinh thái quan trọng.

{youtube}https://youtu.be/ziGtmjiUlJQ{/youtube}

Hiện tại chúng tôi không hiểu điều gì gây ra hiệu ứng này, nhưng mối quan hệ giữa mức độ mặn và sự thay đổi trong mức độ thời gian và đồng hồ cung cấp một đầu mối. Chúng tôi biết rằng việc tiếp xúc với các chất ô nhiễm khiến Daphnia phải trải qua quy định biểu sinh - những thay đổi hóa học ảnh hưởng đến chức năng của gen của chúng, mà không làm thay đổi DNA của chúng. Và những thay đổi biểu sinh thường cho thấy một phản ứng dần dần, trở nên rõ rệt hơn khi yếu tố nguyên nhân tăng lên. Do đó, có khả năng độ mặn cao đang gây ra những thay đổi hóa học thông qua các cơ chế biểu sinh này trong Daphnia để triệt tiêu chức năng của đồng hồ sinh học của nó.

Những ảnh hưởng rộng lớn của sự gián đoạn đồng hồ sinh học

Chúng ta biết rằng điều kiện môi trường có thể ảnh hưởng đến những gì đồng hồ điều chỉnh ở nhiều loài. Ví dụ, thay đổi đường mà nấm Thần kinh phát triển trên thay đổi hành vi mà đồng hồ điều chỉnh. Nhưng theo hiểu biết của chúng tôi, nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên cho thấy các gen của đồng hồ lõi của sinh vật có thể bị ảnh hưởng trực tiếp bằng cách thích nghi với chất gây ô nhiễm môi trường. Phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng giống như các bánh răng của đồng hồ cơ có thể bị rỉ theo thời gian, đồng hồ sinh học có thể bị ảnh hưởng vĩnh viễn do tiếp xúc với môi trường.

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng. Đầu tiên, nếu Daphnia đồng hồ sinh học quy định sự tham gia của nó trong di chuyển dọc diel, sau đó phá vỡ đồng hồ có thể có nghĩa là Daphnia không di chuyển trong cột nước. Daphnia là những người tiêu thụ chính của tảo và là nguồn thức ăn cho nhiều loại cá, vì vậy làm gián đoạn nhịp sinh học của chúng có thể ảnh hưởng đến toàn bộ hệ sinh thái.

Thứ hai, những phát hiện của chúng tôi chỉ ra rằng ô nhiễm môi trường có thể có tác động rộng lớn hơn đối với con người so với những gì đã hiểu trước đây. Các gen và quá trình trong Daphnia đồng hồ rất giống với những người điều chỉnh đồng hồ ở người. Nhịp sinh học của chúng ta kiểm soát các gen tạo ra dao động tế bào ảnh hưởng đến chức năng, phân chia và tăng trưởng của tế bào, cùng với các thông số sinh lý như nhiệt độ cơ thể và phản ứng miễn dịch.

Đồng hồ sinh học của con người điều chỉnh các chu kỳ của nhiều chức năng cơ thể. NIH

Khi những nhịp điệu này bị phá vỡ ở người, chúng ta thấy tỷ lệ tăng ung thư, tiểu đường, béo phì, bệnh tim, trầm cảm và nhiều bệnh khác. Công việc của chúng tôi cho thấy rằng việc tiếp xúc với các chất ô nhiễm môi trường có thể làm giảm chức năng của đồng hồ của con người, điều này có thể dẫn đến tỷ lệ bệnh tăng lên.

Chúng tôi đang tiếp tục công việc của mình bằng cách nghiên cứu sự gián đoạn của DaphniaĐồng hồ của ảnh hưởng đến sự tham gia của nó trong di chuyển dọc diel. Chúng tôi cũng đang làm việc để xác định nguyên nhân cơ bản của những thay đổi này, để xác định xem liệu điều này có thể xảy ra trong não người hay không. Những tác động chúng tôi đã tìm thấy trong Daphnia cho thấy ngay cả một chất đơn giản như muối cũng có thể có tác dụng cực kỳ phức tạp đối với các sinh vật sống.

Giới thiệu về Tác giả

Jennifer Marie Hurley, Trợ lý Giáo sư Khoa học Sinh học, Học viện Rensselaer Polytechnic

Bài viết này ban đầu được xuất bản vào Conversation. Đọc ban đầu bài viết.

Sách liên quan:

at Thị trường InnerSelf và Amazon