Organismen, einschließlich des Menschen, folgen einem Zeitplan, der wichtige Körperfunktionen wie Schlaf-Wach-Zyklen, Stoffwechsel, Hormonproduktion, kognitive Funktionen und Ernährungsgewohnheiten mit Umweltzyklen koordiniert.
Während die meisten Organismen zirkadiane Rhythmen besitzen, die mit dem 24-Stunden-Tag-Nacht-Zyklus synchronisiert sind, haben sie auch andere innere Uhren entwickelt, die sich an ihre lokale Umgebung anpassen. Meerestiere haben zirkatidale Rhythmen entwickelt, die ihre Aktivitäten mit dem 12,4-Stunden-Gezeitenzyklus in Einklang bringen und so die zirkadianen Rhythmen ergänzen.
Forscher der Chiba University haben entdeckt, dass Schnecken, die in Gezeitengebieten flussabwärts leben, biologische Rhythmen haben, die mit den Gezeitenzyklen synchronisiert sind, im Gegensatz zu Schnecken in Regionen ohne Gezeiten. Diese Beobachtung wirft die Frage auf, ob sich zirkatidale Rhythmen aufgrund von Unterschieden im Lebensraum entwickeln oder durch genetische Unterschiede zwischen den Populationen verursacht werden.
Aufbauend auf ihren früheren Erkenntnissen haben Associate Professor Yuma Takahashi und Dr. Takumi Yokomizo von der Universität Chiba (zum Zeitpunkt der Studie und derzeit Postdoc-Forscher am Zentrum für ökologische Forschung der Universität Kyoto) gezeigt, dass Süßwasserschnecken, die in Gezeitenumgebungen leben, ihren biologischen Rhythmus schrittweise anpassen, um ihn mit den Gezeitenzyklen zu synchronisieren.
Die Studie veröffentlicht im Journal Vererbung am 27. März 2024 bietet Einblicke in die Anpassungsfähigkeit und mögliche Divergenz biologischer Rhythmen als Reaktion auf Gezeitenumgebungen.
„Diese Studie hat bei einer Süßwasserschnecke genetische und nicht-genetische Veränderungen in biologischen Rhythmen bei der Anpassung an Gezeitenumgebungen aufgedeckt. Dieses Ergebnis könnte zu einem Verständnis der Rolle biologischer Uhren bei der Anpassung an rhythmische Umgebungen führen, was eines der wichtigsten Themen der Chronobiologie ist“, sagt Dr. Takahashi.
Die Forscher sammelten Süßwasserschnecken (Semisulcospira reiniana) aus Gezeiten- und Nichtgezeitengebieten entlang des Kiso-Flusses in Japan, die 20 km voneinander entfernt liegen. Die Schnecken wurden in zwei Gruppen unterteilt: Eine war einem regelmäßigen 24-stündigen Hell-Dunkel-Zyklus ausgesetzt, während die andere einem simulierten 12-stündigen Gezeitenzyklus ausgesetzt war, bei dem sie abwechselnd bei Flut untergetaucht und bei Ebbe der Luft ausgesetzt waren.
Nach einer vierwöchigen Eingewöhnungsphase analysierten die Forscher das Verhalten und die genetischen Expressionsmuster der Schnecken im Dunkeln bei einer konstanten Temperatur von 23°C. Bei den Schnecken aus nicht von Gezeiten beeinflussten Gebieten gab es keine signifikanten Unterschiede in der Intensität der zirkadianen und zirkatidalen Rhythmen zwischen den beiden Gruppen. Allerdings zeigten Schnecken aus Gezeitengebieten, die dem simulierten Gezeitenzyklus ausgesetzt waren, im Vergleich zur Kontrollgruppe stärkere zirkatidale Rhythmen.
Interessanterweise zeigten sowohl die von Gezeiten beeinflussten als auch die nicht von Gezeiten beeinflussten Populationen, die der simulierten Flut ausgesetzt waren, eine Zunahme der Anzahl der zirkatidal oszillierenden Gene und eine Abnahme der zirkadian oszillierenden Gene (Gene, deren Aktivität im Einklang mit dem Gezeiten- bzw. Tageszyklus schwankt). Schnecken, die sich bereits in ihrem frühen Leben an die Gezeitenzyklen in den Flüssen angepasst hatten, hatten im Vergleich zur nicht von Gezeiten beeinflussten Population eine größere Anzahl von zirkatidal oszillierenden Genen.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Expressionsrhythmen von Genen, die durch die biologische Uhr gesteuert werden, empfindlich auf Umweltveränderungen reagieren und durch genetische Veränderungen beeinflusst werden können, die sich aus der Anpassung an die Umwelt ergeben.
„Unsere Studie konzentrierte sich auf die Flexibilität biologischer Uhren und fand ihr Potenzial, biologische Rhythmen entsprechend den vorherrschenden Umweltzyklen zu ändern“, sagt Dr. Takahashi.
Störungen des biologischen Rhythmus können sich negativ auf verschiedene physiologische Prozesse auswirken. Die Erkenntnisse dieser Studie könnten unser Verständnis davon erweitern, wie sich Organismen an veränderte Umweltbedingungen anpassen, und sich in Zukunft als wertvoll für die Behandlung chronobiologischer Erkrankungen erweisen.
Mehr Informationen:
Takumi Yokomizo et al., Plastizität circadianer und zirkatidaler Rhythmen in Aktivität und Transkriptomdynamik bei einer Süßwasserschnecke, Vererbung (2024). DOI: 10.1038/s41437-024-00680-7