Pot Sonca po nebu ima pomembno vlogo pri uravnavanju notranje ure živih bitij. Nekatere vrste se podnevi prebujajo in ponoči spijo. Druge počnejo ravno nasprotno, so pa tudi take, ki sledijo povsem nenavadnemu urniku. Tem naravno vodenim 24-urnim bioloških ciklom pravimo cirkadiani ritmi, ki ne označujejo le časa spanja: uravnavajo hormone, presnovo, popravljanje DNK in še veliko drugega. Če se ta ritem življenja podre, ima lahko to hude posledice za zdravje, razmnoževanje in preživetje.
Ker ure nimajo, številne vrste merijo čas z notranjim sistemom, sestavljenim iz medsebojno delujočih genov in njihovih beljakovin, ki učinkovito spremlja potek 24-urnega obdobja in ga umerja sončna svetloba. Ta vrsta cirkadiane ure je zelo razširjena, najdemo jo celo pri enoceličnih algah, kar kaže, da se je ta oblika biološkega merjenja časa razvila pred milijardami let. Med živalmi ima večina vrst isti genetski sistem, ki uporablja gene CLOCK, BMAL1 in CRY ali njihove prepoznavne homologe. Ta mehanizem biološkega urnega gonila se pojavlja celo v starodavnih rodovih, vključno z spužvami in nekaterimi meduzami.
Toda ali je to edini način spremljanja časa v biologiji? Zdi se, da ne, saj so biologi pri meduzi velikosti graška, ki živi ob obali Japonske, odkrili drugačen način merjenja časa.
Razred hidrozojev, v katerega spadajo meduze, hidre in sifonofori, je med evolucijo izgubil gene, ki v preostalem živalskem svetu poganjajo cirkadiano uro. Nedavno odkrita vrsta meduze pa kljub temu ima cirkadiano uro, ki pa je povsem druge vrste kot ostale in sledi 20-urnim obdobjem. Vse to kaže, da se je razvila neodvisno od običajnega mehanizma. Strokovnjaki so januarja letos v reviji PLOS Biology poročali o ustreznih rezultatih, ki lahko občutno razširijo meje pojma cirkadiano.
Ura, najdena pri meduzi, ki je za znanost nova vrsta, ni nenavadna le zato, ker namesto 24-urnega zemeljskega dne sledi 20-urnemu ciklu, ampak tudi zato, ker je očitno povezana z molekularnim časovnikom, ki od sončnega vzhoda odšteva do trenutka, ko napoči čas za razmnoževanje meduze. Obstoj tega presenetljivega mehanizma nakazuje tudi, da so strokovnjakom morda ušle tudi druge nekonvencionalne cirkadiane ure v živem svetu.
»Takšni sistemi so lahko veliko bolj razširjeni, a jih doslej nismo iskali in smo preučevali le določene genetske komponente,« pravi Ezio Rosato, kronobiolog z Univerze v Leicestru, ki je k novi študiji napisal znanstveni komentar. »Čas je mogoče meriti s katerim koli molekularnim mehanizmom. Potrebno je le ustrezno organizirano zaporedje reakcij,« nadaljuje strokovnjak.
Sončni vzhod kot stikalo
Deguči Rjuzaku enkrat na četrtletje odpelje študente Pedagoške univerze Mijagi na Izušimo, majhen otok ob severovzhodni obali Japonske. V vodi ribiškega pristanišča lebdi na tisoče prosojnih kroglic, manjših od graška, iz katerih z dijaki vzorčijo, da bi predstavnike več kot ducata vrst meduz pozneje proučevali v laboratoriju, predvsem njihove razmnoževalne cikle.
Kicui Ruka se je tem raziskavam pridružila kot študentka prvega letnika in preučevanje razvoja meduzinih spolnih celic ji je bilo tako všeč, da je namesto študija fizike in kemije prestopila na biologijo. Pozneje se je uradno pridružila Degučijevemu laboratoriju, da bi preučevala razvoj nevretenčarjev, svojo magistrsko nalogo pa je posvetila razmnoževanju meduz, pri čemer se je osredotočila na neobičajno populacijo.
Večina meduz, ki so jih preučevali v laboratoriju, se je drstila vsak dan, običajno kmalu po sončnem vzhodu, ko so v vodo spustile jajčeca in spermo. Toda Kicuijine živali so bile čudne: razmnoževanje so začele ponoči.
Pri vrstah, ki se razmnožujejo z množičnim drstenjem, vključno z nekaterimi koralami in meduzami, je natančna časovna uskladitev nujna. Živali spolne celice spuščajo neposredno v vodo, oploditev pa v marsičem prepustijo naključju: če ob prihodu jajčec v vodi ni semenčic, naslednje generacije ne bo. Zato so te vrste razvile različne molekularne mehanizme za sinhronizacijo drstenja, pri tem pa pogosto uporabljajo beljakovine, ki zaznavajo svetlobne signale in se nanje odzivajo.
Kicui je vedela, da mora za nočno aktivnostjo vrste, ki jo je preučevala, prav tako stati nek molekularni mehanizem. Zdelo pa se je očitno, da ga svetloba ne more sprožiti, vsaj ne kot neposreden dražljaj. Raziskovalka je zato delo začela z nizom poskusov z osvetlitvijo. Samice je najprej držala 12 ur v umetni svetlobi, nato 12 ur v temi – kar približno posnema naravni cikel dneva in noči. Živali so vsakič natanko dve uri po »mraku« spustile jajčeca v vodo. Kicui in Deguči sta sprva domnevala, da prehod s svetlobe v temo nakazuje čas drstenja.
Ko pa sta luči prižgala dve uri prej, tako da je »zora« nastopila prej, čas »mraka« pa je ostal nespremenjen, so se meduze drstile dve uri prej.
Kaj bi meduze počele ob stalni sončni svetlobi? Kicui je bila presenečena, ko so se meduze tudi tedaj drstile vsakih 20 ur brez svetlobnega signala. To kaže, da ima doslej neznana vrsta meduze – ki jo do uradnega poimenovanja vodijo kot Clytia sp. IZ-D – neko notranjo cirkadiano ritmiko. Kicui je vedela, da ura vrste C. sp. IZ-D ni sestavljena iz pri živalih razširjenih cirkadianih genov, saj je ta hidrozojska linija te med evolucijo izgubila. Kljub temu je ustrezala skoraj vsem zahtevam, ki so jih kronobiologi določili za cirkadiane ure.
Odštevanje se začne
Cirkadiana ura mora biti samovzdržna in notranje vodena, kot je tudi 20-urni drstitveni cikel meduz. Poleg tega jo morajo uravnavati tudi okoljski dražljaji, na primer svetloba. Medtem ko drstitvena ura meduz v laboratoriju ob stalni svetlobi deluje v 20-urnem ciklu, se v naravi vsak dan znova zažene. Pri »običajnem« cirkadianem ritmu, kot je naš, temperatura prav tako ne bi smela vplivati na notranjo uro (vsaj ne na dnevno). V Kicuijinih poskusih pa je toplejša voda 20-urno uro pospešila, hladnejša pa upočasnila.
Torej gre res za molekularno biološko uro, vendar ne povsem tako, kot so raziskovalci prej opredeljevali cirkadiane ure.
»Zanima me, kako bodo to sprejeli na področju kronobiologije,« je dejala Kristin Tessmar-Raible, kronobiologinja z Inštituta Alfreda Wegenerja in Univerze na Dunaju, ki pri raziskavi ni sodelovala. Ali je sploh lahko govora o pravem cirkadianem ritmu, če krši katero koli od treh pravil? Ali ga je treba obravnavati kot nekaj drugega?
Poleg tega 20-urna cirkadiana ura ne more v celoti pojasniti drstitvenega vedenja meduz po sončnem zahodu. Pri sistemu za merjenje časa mora biti še ena komponenta, so ugotovili strokovnjaki. Da bi bolje razumela dogajanje pri novi vrsti, sta se Deguči in Kicui obrnila k bližnjemu sorodniku, vrsti Clytia hemisphaerica. Vrsta C. hemisphaerica je navzven enaka vrsti C. sp. IZ-D, vendar je to temeljito preučen živalski model, pri katerem so podrobnosti drstitvenih in razmnoževalnih procesov dobro znane.
C. hemisphaerica se drsti vsak dan dve uri po sončnem vzhodu. Ta proces se začne z prvo svetlobo dneva, ko svetlobno občutljive beljakovine v spolnih žlezah, imenovane opsini, zaznajo sončno svetlobo in s tem sprožijo nastajanje hormona, ki dozori razvijajoče se spolne celice.
Ekipa sumi, da ima nova vrsta C. sp. IZ-D nekoliko spremenjeno različico tega mehanizma, v kateri se hormon sprošča počasi, kar proces zorenja gamet podaljša na približno 14 ur.
Ko se nabere dovolj hormona in gamete povsem dozorijo, se meduze drstijo hkrati – torej približno dve uri po sončnem zahodu.
»Kot kronobiologa me zelo zanima, da sistem z že poznanimi orodji (ali takimi, ki so jim zelo podobna) doseže drugačno raven organiziranosti,« pravi Rosato. Majhna sprememba, počasnejše kopičenje hormona in s tem počasnejše zorenje gamet, vodi do precej kompleksnejše ravni organiziranosti, pojasnjuje raziskovalec.
Deguči in Kicui zdaj načrtujeta primerjavo genomov vrst C. hemisphaerica in C. sp. IZ-D, da bi razkrila molekularne mehanizme, ki sodelujejo pri delovanju 20-urne kvazicirkadiane ure in 14-urne ure za odštevanje. Kicui bo sicer aprila 2026 na Univerzi Tohoku začela doktorski študij, kjer se bo osredotočila na razmnoževanje školjk in nadaljevala preučevanje razvojnih posebnosti nevretenčarjev. Nenavadna ura, na katero je naletela prva, pa že zdaj vpliva na vedo. Rezultati lahko spodbudijo številne nadaljnje raziskave, saj kažejo, kako različne rešitve lahko obstajajo celo za pojave, za katere smo mislili, da jih poznamo.
