密爾沃基的鹽漬街道。 Michael Pereckas, CC BY-SA
每年冬天，美國各地的地方政府都會申請 數百萬噸的路鹽 在冰雪風暴期間保持街道可通航。 融化的雪帶來的徑流將道路鹽帶入溪流和湖泊，並使許多水體變得異常 高鹽度.
在倫斯勒理工學院，我的同事 Rick Relyea 他的實驗室正在努力量化鹽度增加如何影響生態系統。 毫不奇怪，他們發現高鹽度 對許多物種的負面影響。 他們還發現一些物種有能力應對這些鹽度的增加。
但這種能力需要付出代價。 在最近的一項研究中，Rick和我分析了一種常見的浮游動物種類， 水蚤 狀溞，適應不斷增加的道路鹽含量。 我們發現這種暴露影響了一個重要的生物節律：生理鐘，可能治理 水蚤餵養和捕食避免行為。 由於許多魚類捕食 水蚤，這種影響可能會在整個生態系統中產生漣漪。 我們的工作也提出了關於鹽或其他環境污染物是否會對人體生物鐘產生類似影響的問題。
每日生物節律和生物鐘
在研究道路鹽如何影響水生生態系統時，Relyea實驗室證明了這一點 水蚤 狀溞 能夠 適應處理適度暴露 在短短兩個半月內。 這些水平範圍從每升水15毫克氯化物（鹽的構建塊）到每升1,000毫克的高 - 這是北美高度污染的湖泊中發現的水平。
然而，有機體在其環境中適應某種東西的能力也可能伴隨著負面的權衡。 我的實驗室與Rick的合作開始於努力確定鹽適應性的這些權衡 水蚤.
In 我的實驗室，我們研究我們的晝夜節律 讓我們跟踪時間。 我們研究了細胞中的分子如何協同工作以像時鐘一樣滴答作響。 這些晝夜節律允許有機體預測其環境中的24小時振盪，例如從光（白天）到黑暗（夜間）的變化，並且是 對有機體的健康至關重要.
里克和我假設適應高鹽度可能會破壞 水蚤的 晝夜節律基於最近的證據表明其他環境污染物可能會破壞 晝夜節律行為。 一個重要的行為 水蚤 每 可以由生物鐘控制 是 diel垂直遷移 - 地球上每日最大的生物量遷移，發生在海洋，海灣和湖泊中。 浮游生物和魚類在白天向下遷移到更深的水中，以避免食肉動物和陽光的傷害，並在晚上回到地面進食。
鑑於我們對晝夜節律功能的了解，可以合理地假設污染暴露不會影響生物體的晝夜節律。 雖然生物鐘可以包含環境信息來告訴時間，但它們是 大量緩衝大多數環境影響.
為了理解這種緩衝的重要性，想像一下有機體一天的時間長度對環境溫度有反應。 熱量加速了分子反應，因此在炎熱的天氣，生物體的24小時節奏可能變為20小時，而在寒冷的日子，它可能變為28小時。 從本質上講，有機體會有溫度計，而不是時鐘。
適應污染會影響關鍵的晝夜節律基因
為了確定時鐘中斷是否是污染物適應的權衡，我們首先必須確定這一點 水蚤 由生物鐘控制。 為此，我們確定了基因 水蚤 這類似於兩個基因，被稱為 期 和 時鐘，在作為晝夜節律模型系統的有機體中： 果蠅（Drosophila melanogaster），常見的果蠅。
我們追踪了水平 期 和 時鐘 in 水蚤，將生物保持在恆定的黑暗中，以確保光刺激不會影響這些水平。 我們的數據顯示了水平 期 和 時鐘 24小時節奏隨著時間的推移而變化 - 這清楚地表明了這一點 水蚤 有一個功能的生物鐘。
我們還追踪了人口中的相同基因 水蚤 已適應增加鹽度。 令我驚訝的是，我們發現了每天的變化 期 和 時鐘 水平直接惡化 鹽度水平 水蚤 適應了。 換句話說，作為 水蚤 為了適應更高的鹽度水平，它們的水平變化較小 期 和 時鐘 一整天。 這證明了這一點 水蚤時鐘確實受到污染物暴露的影響。
水蚤和其他浮游生物是地球上最豐富的生物之一，並發揮著重要的生態作用。
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我們目前不明白是什麼原因導致這種影響，但鹽度水平與水平變化之間的關係減少了 期 和 時鐘 提供線索。 我們知道接觸污染物會導致水蚤接觸 表觀遺傳調控 - 影響基因功能的化學變化，而不改變其DNA。 並且表觀遺傳變化通常表現出逐漸的反應，隨著因果因素的增加而變得更加明顯。 因此，高鹽度可能通過這些表觀遺傳機制誘導化學變化 水蚤 抑制其生物鐘的功能。
生物鐘中斷的廣泛影響
我們知道環境條件會影響許多物種的時鐘調節。 例如，改變真菌的糖分 粗糙脈孢菌 繼續前進 改變時鐘調節的行為。 但據我們所知，這項研究首次表明，生物體核心時鐘的基因可以通過適應環境污染物直接影響。 我們的發現表明，正如機械鐘的齒輪隨著時間的推移而生鏽，生物鐘可能會受到環境暴露的持續影響。
這項研究具有重要意義。 首先，如果 水蚤的 生物鐘調節其參與diel垂直遷移，然後擾亂時鐘可能意味著 水蚤 不要在水柱中遷移。 水蚤 是藻類的主要消費者和許多魚類的食物來源，因此破壞了它們的晝夜節律 可能影響整個生態系統.
其次，我們的研究結果表明，環境污染可能對人類的影響比以前所理解的要大。 中的基因和過程 水蚤的 時鐘與那些調節人類時鐘的時鐘非常相似。 我們的晝夜節律控制著產生影響細胞功能，分裂和生長的細胞振蕩的基因，以及體溫和免疫反應等生理參數。
人類生物鐘調節許多身體機能的周期。 美國國立衛生研究院
當這些節奏在人類中被破壞時，我們看到了增加的速度 癌症，糖尿病，肥胖症，心髒病，抑鬱症和許多其他疾病。 我們的工作表明，暴露於環境污染物可能會降低人體鐘的功能，從而導致疾病發病率上升。
我們正在繼續研究如何破壞 水蚤時鐘影響其參與diel垂直遷移。 我們還在努力確定這些變化的根本原因，以確定是否以及如何在人類大腦中發生這種變化。 我們發現的影響 水蚤 表明即使像鹽這樣的簡單物質也會對生物體產生極其複雜的影響。
關於作者
Jennifer Marie Hurley，生物科學助理教授， 倫斯勒理工學院
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