Что движет циркадными ритмами на полюсах?

Публикация в современной биологии
Но что происходит в средах, где дневной и ночной цикл больше не следует типичному 24-часовому ритму, как в полярных регионах, когда за сумерками сразу следует рассвет или когда солнце находится низко над горизонтом только на несколько часов каждый день?

Ученые из отделения нейробиологии и генетики Вюрцбургского университета изучили эти вопросы; Доктор. Памела Менегацци руководила исследованием.

Команда опубликовала свои результаты в последнем выпуске Current Biology.
"Циркадные часы с периодичностью около 24 часов позволяют животным адаптироваться к дневным и ночным циклам. Однако, если эти часы будут слишком жесткими, это может стать недостатком при адаптации к слабо ритмичным средам, таким как полярные регионы », – описывает Менегацци предысторию нового исследования.

Она объясняет, что несколько высокоширотных видов, обитающих на крайнем севере или юге, как известно, больше не адаптируют свою деятельность к 24-часовому ритму, а вместо этого приняли аритмичное поведение.
Два возможных объяснения
В отделении нейробиологии и генетики все дело в циркадных часах дрозофилы, также известной как обыкновенная плодовая муха. Муха дает ученым несколько преимуществ: ее геном легко доступен для вмешательства, а ее мозг относительно прост по структуре, но молекулярные принципы такие же, как и у людей.

Более того, только 150 нейронов составляют основу циркадных часов мух, функции которых по большей части хорошо известны. Виды дрозофилы встречаются по всему миру. Они процветают даже в очень высоких широтах, где демонстрируют типичную аритмическую активность.

Они также встречаются в субарктических регионах, где они способны приспособить свою вечернюю активность к иногда очень долгому периоду сумерек.

Ранее было неизвестно, какие молекулярные механизмы в системе часов мух ответственны за эти региональные адаптации. Обсуждались две модели: «Аритмичность могла быть либо из-за потери молекулярных колебаний в главных часах, либо, в качестве альтернативы, могла быть ответственна недостающая связь между этими главными часами и подчиненными им структурами», – говорит Памела Менегацци.

Сравнение двух видов мух
Чтобы ответить на этот вопрос, Менегацци и ее команда провели, вероятно, первый сравнительный анализ между родами.

Помимо Drosophila, ученые изучали Chymomyza, род уксусных мух, которые отделились от Drosophila около пяти миллионов лет назад и успешно колонизировали как низкие, так и высокие широты. Ученые выбрали этот подход, чтобы более внимательно изучить эволюционные адаптации циркадных часов, которые облегчают жизнь животных в Арктике и субарктике.

Результат: «Оба объяснения одинаково верны», – говорит Менегацци. По крайней мере, молекулярно-биологические результаты этого исследования подтверждают это предположение. У Drosophila ezoana, например, потеря функции молекулярных часов в главных часах облегчила адаптацию к жизни в высоких широтах. Результат такой же у Chymomyza costata, но из-за отсутствия связи между главными часами и их выходом. «Это говорит о том, что способность поддерживать ритмичность поведения не раз терялась в ходе эволюции семейства Drosophilidae», – заключает ученый.

Сильный ритм может быть недостатком
В своем исследовании ученые изучили старую концепцию хронобиологии, согласно которой циркадные часы должны обладать определенными свойствами, а именно 24-часовым ритмом, способностью синхронизироваться с внешними стимулами и еще одним свойством, которое ученые называют «самоподдерживающимся», что означает способность внутренне поддерживать ритм в долгосрочной перспективе. «Становится все более очевидным, что многие организмы, которые не являются стандартными модельными организмами, не обладают всеми этими характеристиками», – говорит Менегацци.
В то же время результаты подтверждают давнюю гипотезу о том, что сильные поведенческие ритмы могут быть недостатком в слаборитмичных средах, таких как полярные регионы. Кроме того, они помогают ученым понять, как животные адаптируются к различным экологическим нишам и какие характеристики могут быть полезны в экстремальных условиях.

Исследователи считают, что определение характеристик, которые могут быть необходимы для успешной колонизации высоких широт, может стать еще более актуальным в свете изменения климата.

Пластиковые машины