Salting calles en Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA
Todos los inviernos, los gobiernos locales en los Estados Unidos aplican millones de toneladas de sal de camino para mantener las calles navegables durante las tormentas de nieve y hielo. La escorrentía de la nieve que se derrite lleva la sal del camino a los arroyos y lagos, y hace que muchos cuerpos de agua tengan extraordinariamente alta salinidad.
En el Instituto Politécnico Rensselaer, mi colega Rick Relyea y su laboratorio están trabajando para cuantificar cómo los incrementos en la salinidad afectan los ecosistemas. No es sorprendente que hayan encontrado que la alta salinidad tiene impactos negativos en muchas especies. También han descubierto que algunas especies tienen la capacidad de hacer frente a estos incrementos en la salinidad.
Pero esta habilidad tiene un precio. En un estudio reciente, Rick y yo analizamos cómo una especie común de zooplancton, Daphnia pulex, se adapta a niveles crecientes de sal de camino. Encontramos que esta exposición afectó un ritmo biológico importante: el reloj circadiano, que puede gobernar Daphniacomportamientos de alimentación y evitación de la depredación. Dado que muchos peces se aprovechan de Daphnia, este efecto podría tener ondas en ecosistemas completos. Nuestro trabajo también genera dudas sobre si la sal u otros contaminantes ambientales podrían tener un impacto similar en el reloj circadiano humano.
Ritmos biológicos diarios y el reloj circadiano
Al estudiar cómo la sal del camino afecta los ecosistemas acuáticos, el laboratorio de Relyea mostró que Daphnia pulex podemos adaptarse para manejar exposiciones moderadas en tan solo dos meses y medio. Estos niveles van desde 15 miligramos de cloruro (un bloque de construcción de sal) por litro de agua a un alto de 1,000 miligramos por litro, un nivel que se encuentra en los lagos altamente contaminados en América del Norte.
Sin embargo, la capacidad de un organismo para adaptarse a algo en su entorno también puede ir acompañada de compensaciones negativas. La colaboración de mi laboratorio con Rick's comenzó en un esfuerzo por identificar estas compensaciones en la adaptación a la sal Daphnia.
In mi laboratorio, estudiamos cómo nuestros ritmos circadianos nos permite hacer un seguimiento del tiempo. Investigamos cómo las moléculas en nuestras células trabajan juntas para marcar como un reloj. Estos ritmos circadianos permiten a un organismo anticipar oscilaciones de 24 horas en su entorno, como cambios de la luz (durante el día) a la oscuridad (durante la noche), y son esencial para la aptitud de un organismo.
Rick y yo supusimos que la adaptación a la alta salinidad podría interrumpir Daphnia's ritmos circadianos basados en evidencia reciente que muestra que otros contaminantes ambientales pueden interrumpir comportamiento circadiano. Un comportamiento importante en Daphnia esa puede ser controlado por el reloj circadiano son los diel migración vertical - la mayor migración diaria de biomasa en la Tierra, que ocurre en océanos, bahías y lagos. El plancton y los peces migran a aguas más profundas durante el día para evitar depredadores y daños por el sol, y retroceden hacia la superficie por la noche para alimentarse.
Dado lo que sabemos sobre la función circadiana, sería lógico suponer que la exposición a la contaminación no afectaría los ritmos circadianos de un organismo. Mientras que los relojes circadianos pueden incorporar información ambiental para decir la hora del día, son fuertemente amortiguado contra la mayoría de los efectos ambientales.
Para comprender la importancia de este almacenamiento en búfer, imagine que el momento de la duración del día de un organismo respondía a la temperatura ambiental. El calor acelera las reacciones moleculares, por lo que en los días calurosos, el ritmo de 24-hora del organismo podría llegar a ser 20 horas, y en días fríos podría llegar a ser 28 horas. En esencia, el organismo tendría un termómetro, no un reloj.
La adaptación a la contaminación afecta genes circadianos clave
Para determinar si la interrupción del reloj es una compensación a la adaptación de contaminantes, primero tuvimos que establecer que Daphnia está gobernado por un reloj circadiano. Para hacer esto, identificamos genes en Daphnia que son similares a dos genes, conocidos como período y reloj, en un organismo que sirve como un sistema modelo circadiano: Drosophila melanogaster, la mosca de la fruta común.
Hemos rastreado los niveles de período y reloj in Daphnia, manteniendo los organismos en constante oscuridad para garantizar que un estímulo de luz no afecte estos niveles. Nuestros datos mostraron que los niveles de período y reloj varió con el tiempo con un ritmo de 24-hora, una clara indicación de que Daphnia tener un reloj circadiano funcional.
También rastreamos los mismos genes en poblaciones de Daphnia que se había adaptado al aumento de la salinidad. Para mi sorpresa, descubrimos que la variación diaria de período y reloj niveles deteriorados directamente con el nivel de salinidad del Daphnia fueron adaptados a. En otras palabras, como Daphnia adaptados a niveles de salinidad más altos, mostraron menos variación en los niveles de período y reloj durante el día. Esto demostró que DaphniaEl reloj se ve afectado por la exposición a los contaminantes.
Daphnia y otros plancton se encuentran entre los organismos más abundantes en la Tierra y desempeñan papeles ecológicos críticos.
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Actualmente no comprendemos qué causa este efecto, sino la relación entre los niveles de salinidad y la disminución de la variación en los niveles de período y reloj ofrece una pista. Sabemos que la exposición a contaminantes hace que Daphnia se someta regulación epigenética - cambios químicos que afectan la función de sus genes, sin alterar su ADN. Y los cambios epigenéticos a menudo muestran una respuesta gradual, que se vuelve más pronunciada a medida que aumenta el factor causal. Por lo tanto, es probable que la alta salinidad esté induciendo cambios químicos a través de estos mecanismos epigenéticos en Daphnia para suprimir la función de su reloj circadiano.
Los amplios efectos de las interrupciones del reloj circadiano
Sabemos que las condiciones ambientales pueden afectar lo que el reloj regula en muchas especies. Por ejemplo, cambiar el azúcar que el hongo Neurospora crassa crece en cambia qué comportamientos regula el reloj. Pero, hasta donde sabemos, este estudio es el primero en demostrar que los genes del reloj central de un organismo pueden verse directamente afectados por la adaptación a un contaminante ambiental. Nuestro hallazgo sugiere que así como los engranajes de un reloj mecánico pueden oxidarse con el tiempo, el reloj circadiano puede verse afectado permanentemente por la exposición ambiental.
Esta investigación tiene implicaciones importantes. Primero, si Daphnia's reloj circadiano regula su participación en la migración vertical diel, luego interrumpir el reloj podría significar que Daphnia no migres en la columna de agua. Daphnia son consumidores clave de algas y una fuente de alimento para muchos peces, lo que altera sus ritmos circadianos podría afectar ecosistemas enteros.
En segundo lugar, nuestros hallazgos indican que la contaminación ambiental puede tener efectos más amplios en los humanos de lo que se entendía previamente. Los genes y procesos en Daphnia's reloj son muy similares a los que regulan el reloj en humanos. Nuestros ritmos circadianos controlan los genes que crean oscilaciones celulares que afectan la función, división y crecimiento celular, junto con parámetros fisiológicos como la temperatura corporal y la respuesta inmune.
El reloj circadiano humano regula los ciclos de muchas funciones corporales. NIH
Cuando estos ritmos se alteran en los humanos, vemos un aumento en las tasas de cáncer, diabetes, obesidad, enfermedades del corazón, depresión y muchas otras enfermedades. Nuestro trabajo sugiere que la exposición a contaminantes ambientales puede estar deprimiendo la función de los relojes humanos, lo que podría conducir a un aumento en las tasas de enfermedades.
Continuamos nuestro trabajo estudiando cómo la interrupción de DaphniaEl reloj afecta su participación en la migración vertical diel. También estamos trabajando para determinar las causas subyacentes de estos cambios, para establecer si y cómo podría suceder esto en el cerebro humano. Los impactos que hemos encontrado en Daphnia muestran que incluso una sustancia simple como la sal puede tener efectos extremadamente complejos en los organismos vivos.
Sobre el Autor
Jennifer Marie Hurley, Profesora Asistente de Ciencias Biológicas, Rensselaer Polytechnic Institute
Este artículo se publicó originalmente el La conversación. Leer el articulo original.
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