Jalan-jalan asin di Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Setiap musim dingin, pemerintah daerah di seluruh Amerika Serikat melamar jutaan ton garam jalan untuk menjaga jalan dinavigasi selama salju dan badai es. Limpasan dari peleburan salju membawa garam jalan ke sungai dan danau, dan menyebabkan banyak badan air memiliki muatan yang luar biasa salinitas tinggi.

Di Rensselaer Polytechnic Institute, kolega saya Rick Relyea dan labnya bekerja untuk mengukur seberapa besar peningkatan salinitas mempengaruhi ekosistem. Tidak mengherankan, mereka telah menemukan bahwa salinitas tinggi dampak negatif pada banyak spesies. Mereka juga menemukan bahwa beberapa spesies memiliki kemampuan untuk mengatasi peningkatan salinitas ini.

Tapi kemampuan ini datang dengan harga tertentu. Dalam sebuah penelitian baru-baru ini, Rick dan saya menganalisis bagaimana spesies zooplankton yang umum, Daphnia pulex, menyesuaikan dengan meningkatnya kadar garam jalan. Kami menemukan bahwa pemaparan ini mempengaruhi ritme biologis yang penting: Jam sirkadian, yang mungkin memerintah Daphnia's makan dan perilaku penghindaran predasi. Karena banyak ikan memangsa Daphnia, efek ini bisa memiliki riak di seluruh ekosistem. Pekerjaan kami juga menimbulkan pertanyaan tentang apakah garam, atau polutan lingkungan lainnya, dapat berdampak serupa pada jam sirkadian manusia.

Ritme biologis harian dan jam sirkadian

Dalam mempelajari bagaimana garam jalan mempengaruhi ekosistem perairan, laboratorium Relyea menunjukkan hal itu Daphnia pulex bisa Beradaptasi untuk menangani eksposur sedang hanya dalam dua setengah bulan. Tingkat ini berkisar dari 15 miligram klorida (satu blok bangunan garam) per liter air sampai tinggi 1,000 miligram per liter - tingkat yang ditemukan di danau yang sangat terkontaminasi di Amerika Utara.

Namun, kemampuan organisme untuk menyesuaikan diri dengan sesuatu di lingkungannya juga bisa disertai dengan pertukaran negatif. Kolaborasi lab saya dengan Rick dimulai dalam upaya untuk mengidentifikasi trade-off ini dalam adaptasi garam Daphnia.

In lab saya, kita mempelajari bagaimana irama sirkadian kita memungkinkan kita untuk melacak waktu. Kami menyelidiki bagaimana molekul di sel kita bekerja sama untuk memberi tanda seperti jam. Ritme sirkadian ini memungkinkan organisme untuk mengantisipasi osilasi 24-hour di lingkungannya, seperti perubahan dari cahaya (siang hari) menjadi gelap (malam hari), dan penting untuk kebugaran organisme.

Rick dan saya berhipotesis bahwa adaptasi terhadap salinitas tinggi bisa mengganggu Daphnia ritme sirkadian berdasarkan bukti terbaru yang menunjukkan bahwa kontaminan lingkungan lainnya dapat mengganggu perilaku sirkadian. Salah satu perilaku penting dalam Daphnia bahwa dapat dikendalikan oleh jam sirkadian adalah migrasi vertikal diel - Migrasi biomassa harian terbesar di Bumi, yang terjadi di lautan, teluk dan danau. Plankton dan ikan bermigrasi ke perairan yang lebih dalam pada siang hari untuk menghindari pemangsa dan kerusakan akibat sinar matahari, dan kembali ke permukaan pada malam hari untuk memberi makan.

Mengingat apa yang kita ketahui tentang fungsi sirkadian, akan masuk akal untuk mengasumsikan bahwa paparan terhadap polusi tidak akan mempengaruhi ritme sirkadian organisme. Sementara jam sirkadian dapat menggabungkan informasi lingkungan untuk diceritakan pada waktunya, waktu itu sangat tersangga terhadap sebagian besar dampak lingkungan.

Untuk memahami pentingnya penyangga ini, bayangkan bahwa waktu hari tua organisme merespons suhu lingkungan. Panas mempercepat reaksi molekuler, jadi pada hari-hari yang panas, irama 24-jam organisme bisa menjadi jam 20, dan pada hari-hari yang dingin itu mungkin menjadi jam 28. Intinya, organisme itu punya termometer, bukan jam.

Adaptasi terhadap polusi mempengaruhi gen sirkadian utama

Untuk menentukan apakah gangguan jam adalah trade-off terhadap adaptasi polutan, pertama-tama kita harus menetapkannya Daphnia diatur oleh jam sirkadian. Untuk melakukan ini, kami mengidentifikasi gen di Daphnia yang mirip dengan dua gen, yang dikenal sebagai periode dan jam, dalam suatu organisme yang berfungsi sebagai sistem model sirkadian: Drosophila melanogaster, lalat buah yang biasa.

Kami melacak tingkat periode dan jam in Daphnia, menjaga organisme dalam kegelapan konstan untuk memastikan bahwa stimulus ringan tidak mempengaruhi tingkat ini. Data kami menunjukkan bahwa tingkat periode dan jam bervariasi dari waktu ke waktu dengan ritme 24-jam - indikasi yang jelas Daphnia memiliki jam sirkadian fungsional.

Kami juga melacak gen yang sama pada populasi Daphnia yang telah disesuaikan dengan peningkatan salinitas. Yang mengejutkan saya, kami menemukan variasi hariannya periode dan jam tingkat memburuk secara langsung dengan tingkat salinitas Daphnia disesuaikan. Dengan kata lain, sebagai Daphnia Diadaptasi ke tingkat salinitas yang lebih tinggi, mereka menunjukkan variasi yang kurang pada tingkat periode dan jam dari hari ke hari Ini menunjukkan hal itu DaphniaJam memang terkena paparan polutan.

Daphnia dan plankton lainnya termasuk organisme paling banyak di Bumi dan memainkan peran ekologis kritis.

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

Saat ini kami tidak mengerti apa yang menyebabkan efek ini, namun hubungan antara kadar salinitas dan penurunan variasi pada tingkat periode dan jam menawarkan petunjuk Kita tahu bahwa paparan polutan menyebabkan Daphnia harus menjalani peraturan epigenetik - Perubahan kimiawi yang mempengaruhi fungsi gen mereka, tanpa mengubah DNA mereka. Dan perubahan epigenetik sering menunjukkan respons bertahap, menjadi lebih jelas karena faktor kausal meningkat. Oleh karena itu, kemungkinan salinitas tinggi mendorong perubahan kimia melalui mekanisme epigenetik ini di Indonesia Daphnia untuk menekan fungsi jam sirkadiannya.

Efek luas gangguan jam sirkadian

Kita tahu bahwa kondisi lingkungan dapat mempengaruhi jam yang diatur dalam banyak spesies. Misalnya mengganti gula sehingga jamur Neurospora crassa tumbuh terus perubahan perilaku jam mengatur. Tetapi sepengetahuan kami, penelitian ini adalah yang pertama menunjukkan bahwa gen jam inti organisme dapat terkena dampak langsung dengan menyesuaikan diri dengan kontaminan lingkungan. Temuan kami menunjukkan bahwa saat roda gigi jam mekanis dapat berkarat sepanjang waktu, jam sirkadian dapat terkena dampak permanen oleh paparan lingkungan.

Penelitian ini memiliki implikasi penting. Pertama, jika Daphnia jam sirkadian mengatur keikutsertaannya dalam migrasi vertikal diel, lalu mengganggu jam bisa berarti itu Daphnia jangan bermigrasi di kolom air. Daphnia adalah konsumen utama alga dan sumber makanan bagi banyak ikan, sehingga mengganggu ritme sirkadian mereka bisa mempengaruhi seluruh ekosistem.

Kedua, temuan kami menunjukkan bahwa pencemaran lingkungan mungkin memiliki dampak yang lebih luas pada manusia daripada yang sebelumnya dipahami. Gen dan proses di Daphnia jam sangat mirip dengan yang mengatur jam pada manusia. Ritme sirkadian kita mengendalikan gen yang menciptakan osilasi seluler yang mempengaruhi fungsi, pembagian dan pertumbuhan sel, disertai parameter fisiologis seperti suhu tubuh dan respons kekebalan tubuh.

Jam sirkadian manusia mengatur siklus banyak fungsi tubuh. NIH

Saat irama ini terganggu pada manusia, kita melihat tingkat kenaikan kanker, diabetes, obesitas, penyakit jantung, depresi dan banyak penyakit lainnya. Pekerjaan kami menunjukkan bahwa paparan polutan lingkungan mungkin menekan fungsi jam manusia, yang dapat menyebabkan tingkat penyakit meningkat.

Kami melanjutkan pekerjaan kami dengan mempelajari bagaimana gangguan DaphniaJam mempengaruhi keikutsertaannya dalam migrasi vertikal diel. Kami juga bekerja untuk menentukan penyebab perubahan ini, untuk menentukan apakah dan bagaimana hal ini bisa terjadi di otak manusia. Dampak yang kami temukan di Daphnia menunjukkan bahwa bahkan zat sederhana seperti garam dapat memiliki efek yang sangat kompleks pada organisme hidup.

Tentang Penulis

Jennifer Marie Hurley, Asisten Profesor Ilmu Biologi, Rensselaer Polytechnic Institute

Artikel ini awalnya diterbitkan pada Percakapan. Membaca Artikel asli.

Buku terkait:

at Pasar InnerSelf dan Amazon