Poluentes Ambientais Podem Interromper Nossos Ritmos Circadianos?

Poluentes Ambientais Podem Interromper Nossos Ritmos Circadianos?Salgar ruas em Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA

Todo inverno, os governos locais nos Estados Unidos aplicam milhões de toneladas de sal para manter as ruas navegáveis ​​durante as tempestades de neve e gelo. Escoamento de neve derretida transporta sal da estrada em córregos e lagos, e faz com que muitos corpos de água para ter extraordinariamente alta salinidade.

No Rensselaer Polytechnic Institute, meu colega Rick Relyea e seu laboratório está trabalhando para quantificar como os aumentos na salinidade afetam os ecossistemas. Não surpreendentemente, eles descobriram que a alta salinidade impactos negativos em muitas espécies. Eles também descobriram que algumas espécies têm a capacidade de lidar com esses aumentos na salinidade.

Mas essa habilidade tem um preço. Em um estudo recente, Rick e eu analisamos como uma espécie comum de zooplâncton, Daphnia pulex, adapta-se a níveis crescentes de sal da estrada. Descobrimos que essa exposição afetou um importante ritmo biológico: o relógio circadiano, que pode governar Daphniacomportamentos de evitação de alimentação e predação. Já que muitos peixes se alimentam de Daphnia, esse efeito pode ter ondulações em ecossistemas inteiros. Nosso trabalho também levanta questões sobre se o sal, ou outros poluentes ambientais, poderiam ter impactos semelhantes no relógio circadiano humano.

Ritmos biológicos diários e o relógio circadiano

Ao estudar como o sal da estrada afeta os ecossistemas aquáticos, o laboratório Relyea mostrou que Daphnia pulex pode adaptar-se para lidar com exposições moderadas em menos de dois meses e meio. Esses níveis variaram de 15 em miligramas de cloreto (um bloco de construção de sal) por litro de água até um máximo de 1,000 miligramas por litro - um nível encontrado em lagos altamente contaminados na América do Norte.

No entanto, a capacidade de um organismo de se adaptar a algo em seu ambiente também pode ser acompanhada de compensações negativas. A colaboração do meu laboratório com o Rick's começou em um esforço para identificar esses trade-offs em adaptações adaptadas ao sal. Daphnia.

In meu laboratório, estudamos como nossos ritmos circadianos nos permite acompanhar o tempo. Nós investigamos como as moléculas em nossas células trabalham juntas para marcar como um relógio. Estes ritmos circadianos permitem que um organismo preveja oscilações de 24-hora em seu ambiente, tais como mudanças de luz (diurna) para escura (noite), e são essencial para a aptidão de um organismo.


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Rick e eu hipotetizamos que a adaptação à alta salinidade poderia atrapalhar Daphnia's ritmos circadianos com base em evidências recentes que mostram que outros contaminantes ambientais podem comportamento circadiano. Um comportamento importante Daphnia aquele pode ser controlado pelo relógio circadiano é o migração vertical diel - a maior migração diária de biomassa na Terra, que ocorre nos oceanos, baías e lagos. Plâncton e peixes migram para águas mais profundas durante o dia para evitar predadores e danos causados ​​pelo sol, e voltam para a superfície à noite para se alimentar.

Dado o que sabemos sobre a função circadiana, seria lógico supor que a exposição à poluição não afetaria os ritmos circadianos de um organismo. Enquanto relógios circadianos podem incorporar informações ambientais para contar a hora do dia, eles são fortemente protegida contra a maioria dos efeitos ambientais.

Para entender a importância desse buffer, imagine que o tempo de duração do dia de um organismo respondia à temperatura ambiente. O calor acelera as reações moleculares, então nos dias quentes o ritmo 24-hora do organismo pode se tornar 20 horas, e nos dias frios ele pode se tornar 28 horas. Em essência, o organismo teria um termômetro, não um relógio.

Adaptação à poluição afeta os principais genes circadianos

Para determinar se a interrupção do relógio é um trade-off para a adaptação de poluentes, primeiro tivemos que estabelecer que Daphnia é governado por um relógio circadiano. Para isso, identificamos genes em Daphnia que são semelhantes a dois genes, conhecidos como período e relógio, em um organismo que serve como um sistema modelo circadiano: Drosophila melanogaster, a mosca da fruta comum.

Nós rastreamos os níveis de período e relógio in Daphnia, mantendo os organismos em constante escuridão para garantir que um estímulo luminoso não afetaria esses níveis. Nossos dados mostraram que os níveis de período e relógio variou ao longo do tempo com um ritmo 24-hora - uma indicação clara Daphnia tem um relógio circadiano funcional.

Nós também rastreamos os mesmos genes em populações de Daphnia que se adaptou ao aumento da salinidade. Para minha surpresa, descobrimos que a variação diária de período e relógio níveis deteriorados diretamente com o nível de salinidade do Daphnia foram adaptados para. Em outras palavras, como Daphnia adaptados a níveis mais altos de salinidade, mostraram menor variação nos níveis de período e relógio ao longo do dia. Isso demonstrou que Daphniarelógio é de fato afetado pela exposição a poluentes.

A Daphnia e outros plânctons estão entre os organismos mais abundantes na Terra e desempenham papéis ecológicos críticos.

Atualmente, não entendemos o que causa esse efeito, mas a relação entre níveis de salinidade e diminuição da variação nos níveis de período e relógio oferece uma pista. Sabemos que a exposição a poluentes faz com que o Daphnia seja submetido regulação epigenética - mudanças químicas que afetam a função de seus genes, sem alterar seu DNA. E as mudanças epigenéticas geralmente mostram uma resposta gradual, tornando-se mais pronunciadas à medida que o fator causal aumenta. Portanto, é provável que a alta salinidade esteja induzindo mudanças químicas através desses mecanismos epigenéticos Daphnia para suprimir a função do seu relógio circadiano.

Os amplos efeitos das interrupções do relógio circadiano

Sabemos que as condições ambientais podem afetar o que o relógio regula em muitas espécies. Por exemplo, mudando o açúcar que o fungo Neurospora crassa cresce em muda os comportamentos que o relógio regula. Mas, para nosso conhecimento, este estudo é o primeiro a mostrar que os genes do relógio central de um organismo podem ser diretamente afetados pela adaptação a um contaminante ambiental. Nossas descobertas sugerem que assim como as engrenagens de um relógio mecânico podem enferrujar com o tempo, o relógio circadiano pode ser permanentemente impactado pela exposição ambiental.

Esta pesquisa tem implicações importantes. Primeiro, se Daphnia's relógio circadiano regula a sua participação na migração vertical diel, em seguida, interromper o relógio poderia significar que Daphnia não migre na coluna de água. Daphnia são os principais consumidores de algas e uma fonte de alimento para muitos peixes, interrompendo assim seus ritmos circadianos poderia afetar ecossistemas inteiros.

Em segundo lugar, nossos resultados indicam que a poluição ambiental pode ter efeitos mais amplos sobre os seres humanos do que se entendia anteriormente. Os genes e processos em Daphnia's relógio são muito semelhantes aos que regulam o relógio em humanos. Nossos ritmos circadianos controlam genes que criam oscilações celulares que afetam a função, a divisão e o crescimento das células, além de parâmetros fisiológicos como temperatura corporal e respostas imunológicas.

Poluentes Ambientais Podem Interromper Nossos Ritmos Circadianos?O relógio circadiano humano regula os ciclos de muitas funções corporais. NIH

Quando esses ritmos são interrompidos em humanos, vemos um aumento nas taxas de câncer, diabetes, obesidade, doenças cardíacas, depressão e muitas outras doenças. Nosso trabalho sugere que a exposição a poluentes ambientais pode estar deprimindo a função dos relógios humanos, o que poderia levar ao aumento das taxas de doenças.

A ConversaçãoContinuamos nosso trabalho estudando como o rompimento de DaphniaO relógio afeta sua participação na migração vertical. Também estamos trabalhando para determinar as causas subjacentes dessas mudanças, para determinar se e como isso poderia acontecer no cérebro humano. Os impactos que encontramos em Daphnia mostram que mesmo uma substância simples como o sal pode ter efeitos extremamente complexos nos organismos vivos.

Sobre o autor

Jennifer Marie Hurley, Professora Assistente de Ciências Biológicas, Rensselaer Polytechnic Institute

Este artigo foi originalmente publicado em A Conversação. Leia o artigo original.

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