Saler les rues de Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Chaque hiver, les gouvernements locaux à travers les États-Unis appliquent des millions de tonnes de sel de voirie Garder les rues navigables pendant les tempêtes de neige et de verglas. Les eaux de ruissellement provenant de la fonte des neiges entraînent le sel de voirie dans les cours d'eau et les lacs et font que de nombreux plans d'eau ont des salinité élevée.

Au Rensselaer Polytechnic Institute, mon collègue Rick Relyea et son laboratoire travaille à quantifier comment les augmentations de la salinité affectent les écosystèmes. Sans surprise, ils ont constaté que la salinité élevée a impacts négatifs sur de nombreuses espèces. Ils ont également découvert que certaines espèces ont la capacité de faire face à ces augmentations de la salinité.

Mais cette capacité a un prix. Dans une étude récente, Rick et moi avons analysé comment une espèce commune de zooplancton, Daphnie pulex, s'adapte aux niveaux croissants de sel de voirie. Nous avons trouvé que cette exposition affectait un rythme biologique important: l'horloge circadienne, qui peut gouverner Daphniel'alimentation et les comportements d'évitement de la prédation. Puisque beaucoup de poissons attaquent DaphnieCet effet pourrait avoir des répercussions sur des écosystèmes entiers. Notre travail soulève également des questions quant à savoir si le sel, ou d'autres polluants environnementaux, pourraient avoir des impacts similaires sur l'horloge circadienne humaine.

Les rythmes biologiques quotidiens et l'horloge circadienne

En étudiant comment le sel de voirie affecte les écosystèmes aquatiques, le laboratoire de Relyea a montré que Daphnie pulex vous s'adapter pour gérer des expositions modérées en aussi peu que deux mois et demi. Ces niveaux variaient de 15 milligrammes de chlorure (un bloc de construction de sel) par litre d'eau à un maximum de 1,000 milligrammes par litre - un niveau trouvé dans les lacs hautement contaminés en Amérique du Nord.

Cependant, la capacité d'un organisme à s'adapter à quelque chose dans son environnement peut aussi s'accompagner de compromis négatifs. La collaboration de mon laboratoire avec Rick's a commencé dans un effort pour identifier ces compromis dans le sel adapté Daphnie.

In mon laboratoire, nous étudions comment nos rythmes circadiens nous permettre de garder une trace du temps. Nous étudions comment les molécules de nos cellules travaillent ensemble pour cocher comme une horloge. Ces rythmes circadiens permettent à un organisme d'anticiper les oscillations 24-heure dans son environnement, telles que les changements de la lumière (jour) à l'obscurité (nuit), et sont essentiel à la forme physique d'un organisme.

Rick et moi avons émis l'hypothèse que l'adaptation à une salinité élevée pourrait perturber Daphnia rythmes circadiens basés sur des preuves récentes montrant que d'autres contaminants environnementaux peuvent perturber comportement circadien. Un comportement important dans Daphnie qui peut être contrôlé par l'horloge circadienne est migration verticale diel - la plus grande migration quotidienne de biomasse sur Terre, qui se produit dans les océans, les baies et les lacs. Le plancton et les poissons migrent vers des eaux plus profondes pendant la journée pour éviter les prédateurs et les dommages causés par le soleil, et remontent vers la surface la nuit pour se nourrir.

Compte tenu de ce que nous savons de la fonction circadienne, il serait logique de supposer que l'exposition à la pollution n'affecterait pas les rythmes circadiens d'un organisme. Alors que les horloges circadiennes peuvent incorporer des informations environnementales pour indiquer l'heure de la journée, elles sont fortement protégé contre la plupart des effets environnementaux.

Pour comprendre l'importance de cette mise en mémoire tampon, imaginez que la durée de la journée d'un organisme réagisse à la température ambiante. La chaleur accélère les réactions moléculaires, donc les jours chauds, le rythme 24-heure de l'organisme pourrait devenir 20 heures, et les jours froids, il pourrait devenir 28 heures. En substance, l'organisme aurait un thermomètre, pas une horloge.

L'adaptation à la pollution affecte les principaux gènes circadiens

Pour déterminer si la perturbation de l'horloge est un compromis par rapport à l'adaptation aux polluants, nous devions d'abord établir que Daphnie est régi par une horloge circadienne. Pour ce faire, nous avons identifié des gènes dans Daphnie qui sont similaires à deux gènes, connus sous le nom période ainsi que horloge, dans un organisme qui sert de système modèle circadien: Drosophila melanogaster, la mouche commune des fruits.

Nous avons suivi les niveaux de période ainsi que horloge in Daphnie, en gardant les organismes dans l'obscurité constante pour s'assurer qu'un stimulus lumineux n'affecte pas ces niveaux. Nos données ont montré que les niveaux de période ainsi que horloge varié au fil du temps avec un rythme 24-heure - une indication claire que Daphnie avoir une horloge circadienne fonctionnelle.

Nous avons également suivi les mêmes gènes dans les populations de Daphnie qui s'était adapté à la salinité accrue. À ma grande surprise, nous avons découvert que la variation quotidienne de période ainsi que horloge niveaux détériorés directement avec le niveau de salinité du Daphnie ont été adaptés pour. En d'autres termes, comme Daphnie adaptés aux niveaux de salinité plus élevés, ils ont montré moins de variation dans les niveaux de période ainsi que horloge au cours de la journée. Cela a démontré que DaphnieL'horloge est en effet affectée par l'exposition aux polluants.

Daphnies et autres planctons sont parmi les organismes les plus abondants sur Terre et jouent des rôles écologiques critiques.

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Nous ne comprenons pas actuellement ce qui cause cet effet, mais la relation entre les niveaux de salinité et la diminution de la variation des niveaux de période ainsi que horloge offre un indice. Nous savons que l'exposition aux polluants provoque Daphnia à subir régulation épigénétique - les changements chimiques qui affectent la fonction de leurs gènes, sans altérer leur ADN. Et les changements épigénétiques montrent souvent une réponse graduelle, devenant plus prononcée à mesure que le facteur causal augmente. Par conséquent, il est probable que la forte salinité provoque des changements chimiques à travers ces mécanismes épigénétiques Daphnie pour supprimer la fonction de son horloge circadienne.

Les effets généraux des perturbations de l'horloge circadienne

Nous savons que les conditions environnementales peuvent affecter ce que l'horloge régule dans de nombreuses espèces. Par exemple, changer le sucre que le champignon Neurospora crassa pousse sur change quels comportements l'horloge régule. Mais à notre connaissance, cette étude est la première à montrer que les gènes de l'horloge centrale d'un organisme peuvent être directement affectés par l'adaptation à un contaminant environnemental. Notre découverte suggère que tout comme les engrenages d'une horloge mécanique peuvent rouiller avec le temps, l'horloge circadienne peut être affectée en permanence par l'exposition environnementale.

Cette recherche a des implications importantes. D'abord, si Daphnia l'horloge circadienne régule sa participation à la migration verticale de diel, puis perturber l'horloge pourrait signifier que Daphnie ne pas migrer dans la colonne d'eau. Daphnie sont des consommateurs clés d'algues et une source de nourriture pour de nombreux poissons, perturbant ainsi leurs rythmes circadiens pourrait affecter des écosystèmes entiers.

Deuxièmement, nos résultats indiquent que la pollution de l'environnement peut avoir des effets plus importants sur les humains que ce que l'on croyait auparavant. Les gènes et les processus dans Daphnia l'horloge sont très semblables à ceux qui régulent l'horloge chez les humains. Nos rythmes circadiens contrôlent les gènes qui créent des oscillations cellulaires affectant la fonction, la division et la croissance des cellules, ainsi que des paramètres physiologiques tels que la température corporelle et les réponses immunitaires.

L'horloge circadienne humaine régule les cycles de nombreuses fonctions corporelles. NIH

Lorsque ces rythmes sont perturbés chez les humains, nous voyons des taux accrus de le cancer, le diabète, l'obésité, les maladies cardiaques, la dépression et de nombreuses autres maladies. Nos travaux suggèrent que l'exposition aux polluants environnementaux pourrait déprimer la fonction des horloges humaines, ce qui pourrait entraîner une augmentation des taux de maladie.

Nous continuons notre travail en étudiant comment la perturbation de DaphnieL'horloge de l'horloge affecte sa participation à la migration verticale diel. Nous travaillons également à déterminer les causes sous-jacentes de ces changements, afin d'établir si et comment cela pourrait se produire dans le cerveau humain. Les impacts que nous avons trouvés dans Daphnie montrent que même une substance simple comme le sel peut avoir des effets extrêmement complexes sur les organismes vivants.

A propos de l'auteur

Jennifer Marie Hurley, professeur adjoint de sciences biologiques, Rensselaer Polytechnic Institute

Cet article a été publié initialement le The Conversation. Lis le article original.

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