Что управляет циркадными ритмами в полярных регионах?
В умеренных широтах правильное время имеет решающее значение почти для всех живых существ. Циркадные часы регулируют механизм отсчета времени в каждом организме и подстраивают его под изменения.
Но что происходит в таких средах, как полярные регионы, где цикл день-ночь больше не следует типичному 24-часовому ритму? Ученые из Департамента нейробиологии и генетики Вюрцбургского университета исследовали этот вопрос под руководством доктора Памелы Менацци. Результаты опубликованы в Current Biology.
"Циркадные часы с периодичностью около 24 часов позволяют животным адаптироваться к циклам дня и ночи. Однако, если эти часы слишком жесткие, это может быть недостатком при адаптации к слабо ритмичным средам, таким как полярные регионы", — говорит Менацци. Известно, что несколько видов высоких широт перестали адаптировать свою активность к 24-часовому ритму и перешли к аритмичному поведению.
Две возможные модели
Исследование сосредоточено на циркадных часах Drosophila (плодовой мушки). Виды Drosophila встречаются по всему миру, даже на очень высоких широтах, где демонстрируют типичный аритмичный паттерн активности.
Ранее было неизвестно, какие молекулярные механизмы в часовой системе мух ответственны за эти региональные адаптации. Исследователи обсуждали две модели: "Аритмичность может быть обусловлена либо потерей молекулярных колебаний в главных часах, либо, альтернативно, отсутствием связи между этими главными часами и подчиненными структурами", — объясняет Памела Менацци.
Сравнение двух видов мух
Чтобы ответить на этот вопрос, команда провела сравнительный анализ между родами. Помимо Drosophila, ученые изучили Chymomyza — род уксусных мух, который отделился от Drosophila около 5 миллионов лет назад и успешно колонизировал как низкие, так и высокие широты.
Результат: "Оба объяснения одинаково справедливы", — говорит Менацци. Молекулярно-биологические данные исследования подтверждают это предположение. Например, у Drosophila ezoana потеря функции молекулярных часов в главных часах облегчила адаптацию к жизни на высоких широтах. У Chymomyza costata результат тот же, но обусловлен отсутствием связи между главными часами и их выходным сигналом. "Это говорит о том, что способность поддерживать поведенческую ритмичность была утрачена более одного раза в ходе эволюции семейства Drosophilidae".
Сильные ритмы могут быть недостатком
В исследовании проверялась старая концепция хронобиологии, согласно которой циркадные часы должны обладать определенными свойствами: 24-часовым ритмом, способностью синхронизироваться с внешними стимулами и "самоподдерживающимся" свойством. "Становится все более очевидным, что многие организмы, не являющиеся стандартными модельными, не обладают всеми этими характеристиками", — отмечает Менацци.
Результаты также подтверждают давнюю гипотезу о том, что сильные поведенческие ритмы могут быть недостатком в слабо ритмичных средах, таких как полярные регионы. Они помогают понять, как животные адаптируются к разным экологическим нишам.
Исследователи полагают, что определение характеристик, необходимых для успешной колонизации высоких широт, может стать еще более актуальным в свете изменения климата.