在密尔沃基腌制街道。 Michael Pereckas, 创用CC BY-SA
每年冬天，美国各地的地方政府都会申请 数百万吨路盐 在冰雪风暴中保持街道的通航。 融雪产生的径流把路盐带入溪流和湖泊，使许多水体异常地生长 高盐度.
在伦斯勒理工学院，我的同事 瑞克Relyea 他的实验室正在努力量化盐度如何影响生态系统。 毫不奇怪，他们已经发现高盐度了 对许多物种造成负面影响。 他们还发现，一些物种有能力应付这些盐度的增加。
但是这个能力是有代价的。 在最近的一项研究中，Rick和我分析了一种常见的浮游动物， 水蚤 状溞，适应不断增加的道路盐分水平。 我们发现这种接触影响了一个重要的生物节律：可能支配的生物钟 水蚤喂养和掠食行为。 由于许多鱼捕食 水蚤，这种影响可能会在整个生态系统中产生涟漪。 我们的工作也提出了一个问题，即盐或其他环境污染物是否会对人类的生物钟造成类似的影响。
每日生物节律和生物钟
在研究道路盐如何影响水生生态系统时，Relyea实验室表明了这一点 水蚤 状溞 能够 适应处理中等暴露 只需要两个半月。 这些浓度范围从每升水中15毫克氯化物（一种盐的构建块）到高达每升1,000毫克 - 在北美高度污染的湖泊中发现的水平。
然而，生物适应环境中的某些东西的能力也可能伴随着消极的取舍。 我的实验室与Rick的合作始于努力确定盐适应的这些权衡 水蚤.
In 我的实验室，我们研究如何我们的昼夜节律 让我们跟踪时间。 我们调查我们细胞中的分子如何一起工作，像钟表一样嘀嗒作响。 这些昼夜节律允许有机体预测其环境中的24小时振荡，例如从光（白天）到黑暗（夜间）的变化，并且 对有机体的健康至关重要.
里克和我假设，适应高盐度可能会破坏 水蚤的 基于最近证据显示其他环境污染物可能会中断的昼夜节律 昼夜节律行为。 一个重要的行为 水蚤 这 可能受生物钟控制 是 die垂直迁移 - 地球上每天最大的生物量迁移，发生在海洋，海湾和湖泊。 白天，浮游生物和鱼类会向下迁移到更深的水域，以避免食肉动物和阳光的伤害，并在晚上背对地面进食。
根据我们对昼夜节律功能的了解，假设暴露于污染不会影响有机体的昼夜节律是合乎逻辑的。 虽然生物钟可以结合环境信息来说明一天中的时间，但是 对大多数环境影响进行了大量缓冲.
为了理解这种缓冲作用的重要性，想象一下，有机体日间长度的时间对环境温度的反应。 热量加速了分子反应，所以在炎热的日子，有机体的24小时节奏可能变成20小时，而在寒冷的日子，它可能变成28小时。 实质上，有机体会有温度计，而不是时钟。
适应污染影响重要的昼夜节律基因
为了确定时钟中断是否是污染物适应的一个折衷，我们首先必须确定这一点 水蚤 受生物钟控制。 要做到这一点，我们确定了基因 水蚤 这两个基因相似，被称为 期间 和 时钟在作为昼夜节律模型系统的有机体中： 黑腹果蝇（Drosophila melanogaster），普通的果蝇。
我们跟踪的水平 期间 和 时钟 in 水蚤，使生物体保持恒定的黑暗，以确保光刺激不会影响这些水平。 我们的数据显示的水平 期间 和 时钟 随着时间的推移，24小时节奏变化 - 清楚地表明这一点 水蚤 有一个功能性的生物钟。
我们也跟踪了相同的基因在人群中 水蚤 已经适应增加盐度。 令我惊讶的是，我们发现了日常的变化 期间 和 时钟 水平直接恶化 盐度的高低 水蚤 被改编。 换句话说， 水蚤 适应较高的盐度水平，他们表现出较少的变化水平 期间 和 时钟 在一天之内。 这表明了 水蚤时钟确实受到污染物的影响。
水蚤和其他浮游生物是地球上最丰富的生物之一，起着重要的生态作用。
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我们目前不明白是什么原因造成这种影响，但盐度水平与降低水平变化之间的关系 期间 和 时钟 提供线索。 我们知道接触污染物会导致水蚤接受 表观遗传调控 - 影响其基因功能的化学变化，而不改变其DNA。 而表观遗传变化往往表现出逐渐的反应，随着致病因子的增加而变得更加明显。 因此，高盐度可能通过这些表观遗传机制引起化学变化 水蚤 抑制生物钟的功能。
昼夜节律中断的广泛影响
我们知道环境条件会影响许多物种的时钟调节。 例如，改变了真菌的糖 粗糙脉孢菌 增长 时钟调节行为的变化。 但据我们所知，这项研究是第一个显示有机体核心时钟的基因可以直接受到适应环境污染物的影响。 我们的发现表明，正如机械钟的齿轮会随着时间的推移生锈，生物钟可能永久地受到环境暴露的影响。
这项研究有重要的意义。 首先，如果 水蚤的 生物钟调节其参与die垂直迁移，然后扰乱时钟可能意味着 水蚤 不要在水柱中迁移。 水蚤 是藻类的主要消费者，也是许多鱼类的食物来源，因此扰乱了他们的昼夜节律 可能影响整个生态系统.
其次，我们的研究结果表明，环境污染可能比以前的理解对人类有更广泛的影响。 中的基因和过程 水蚤的 时钟与那些调节人类时钟的时钟非常相似。 我们的昼夜节律控制基因，这些基因会产生影响细胞功能，分裂和生长的细胞振荡，以及诸如体温和免疫反应的生理参数。
人类的生物钟调节许多身体功能的周期。 美国国立卫生研究院
当这些节奏在人类中被破坏时，我们看到了增加的速度 癌症，糖尿病，肥胖症，心脏病，抑郁症和许多其他疾病。 我们的工作表明，接触环境污染物可能会压低人钟的功能，这可能导致疾病发病率的增加。
我们正在继续研究如何破坏 水蚤时钟影响其参与die垂直迁移。 我们也正在努力确定这些变化的根本原因，以确定是否以及如何在人脑中发生这种情况。 我们发现的影响 水蚤 表明，即使是一种简单的物质，如盐，也可能对生物体有极其复杂的影响。
关于作者
Jennifer Marie Hurley，生物科学助理教授， 伦斯勒理工学院
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