Platynereis dumerilii: морской червь отличает лунный свет от солнечных лучей

Летней ночью в Неаполитанском заливе полчища червей выплыли из морской глубины на поверхность воды под свет убывающей Луны. Незадолго до этого с этими существами произошла жуткая метаморфоза: их пищеварительная система разрушилась, плавательные мышцы выросли, а тело наполнилось яйцеклетками или сперматозоидами.

Существа длиной с палец, которые теперь представляют собой мускулистые мешки с половыми клетками, в унисон всплывают на поверхность и в течение нескольких часов кружат друг вокруг друга в бешеном брачном танце. Они выпускают в залив бесчисленное количество яйцеклеток и сперматозоидов, а затем вальс под лунным светом заканчивается гибелью червей.

Морской многощетинковый червь Platynereis dumerilii получает только один шанс на спаривание, поэтому последний танец ему лучше не исполнять соло. Чтобы обеспечить одновременное скопление большого количества червей, этот вид синхронизирует своё репродуктивное время с циклами Луны.

Ответ эволюции - это точные часы, заведенные молекулой, которая чувствует лунные лучи и синхронизирует репродуктивную жизнь червей с лунными фазами. Никто никогда не видел, как работает одна из этих молекул. Однако недавно в исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, учёные из Германии определили различные структуры, которые принимает один из таких белков у многощетинковых червей в темноте и при солнечном свете. Они также раскрыли биохимические механизмы, которые помогают объяснить, как белок различает более яркие солнечные лучи и более мягкое лунное сияние.

Впервые учёные определили молекулярную структуру белка, отвечающего за синхронизацию биологических часов с фазами Луны. «Я не знаю другой системы с такой степенью сложности, которая была бы изучена», - говорит биохимик Брайан Крейн из Корнельского университета, который не принимал участия в новом исследовании.

Подобные открытия могут иметь отношение к физиологии многих видов существ, включая человека. «У нас нет другого примера, когда мы понимали бы эти механизмы в таких молекулярных деталях», - говорит Ева Вольф, биохимик из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (Германия), один из соавторов работы. «Эти исследования помогают нам понять, как могут работать биологически часы при восприятии лунного света и синхронизации с фазами Луны».

Хотя сегодня люди чаще просыпаются под звон будильника, чем с первыми лучами солнца, тела всё равно функционируют в унисон с солнцем. У людей, как и у многих других животных, сложные биологические часы, называемые циркадными, синхронизируют ритмы организма с рассветом и наступлением ночи.

Хотя Луна в сотни тысяч раз слабее Солнца, она также освещает Землю по регулярному графику. Полный цикл, от новолуния до полнолуния и обратно, длится 29,5 дня. Многие организмы, особенно различные виды морских обитателей, используют этот лунный календарь как надёжные часы. Известно, что кораллы, мидии, морские черви и даже некоторые рыбы приурочивают свою репродуктивную активность к фазам Луны.

Чтобы синхронизировать свои циркалунные ритмы, организмы должны каким-то образом ощущать лунный свет и отличать его от солнечного, который, по сути, является тем же самым видом света, только гораздо более интенсивным. Как именно клеткам удаётся вести лунный календарь - отличать не только лунный свет от солнечного, но и полнолуние от новолуния, - остаётся во многом загадкой.

Недавно исследователи задумались о том, что криптохромы могут быть задействованы в лунных часах, как и в циркадных ритмах. В 2007 году учёные обнаружили намёки на это у некоторых кораллов, которые активнее производили белки криптохромов под воздействием света.

Несколько лет назад Вольф совместно с хронобиологом Кристин Тессмар-Райбл из лаборатории Макса Перутца Венского университета вырастили P. dumerilii, поскольку его размножение синхронизируется с фазами Луны. Они доказали, что светочувствительный криптохром под названием L-Cry является важнейшим элементом лунных часов червя. Работа их команды, опубликованная в 2022 году, показала, что белок способен отличать темноту от солнечного света, а также лунный свет.

Однако было неясно, как работает белок. На самом деле, на биохимическом уровне не были изучены циркалунные ритмы ни одного организма. «Этому не уделялось должного внимания», - говорит Вольф. «Этот незначительный сигнал лунного света не воспринимался всерьёз. Это всегда было солнце против темноты».

Чтобы узнать, как работает L-Cry, исследователи хотели зафиксировать, как меняется его структура под воздействием света. Вольф отправил белки червей L-Cry в Кельнский университет, чтобы их можно было изучить в лаборатории структурной биохимии Эльмара Бермана, специализирующейся на светочувствительных белках. Но опытная команда Бермана годами пыталась заставить L-Cry вести себя достаточно хорошо, чтобы его можно было увидеть с помощью криоэлектронного микроскопа.

В то время они не знали об этом, но свет проникал в образцы. «Вероятно, в течение полутора лет, когда мы думали, что работаем в темноте, было недостаточно темно», - говорит Берман. Закрыв каждую дверную щель и мигающий светодиод чёрной силиконовой лентой, они, наконец, получили чёткую картину.

Это противоположно тому, как светочувствительные криптохромы отличают солнечный свет от темноты в растениях, по словам Крейна. Растительные криптохромы объединяются в группы при солнечном свете и распадаются в темноте.

«Лунная форма» L-Cry не была непосредственно зафиксирована в этих экспериментах, но новое понимание димерных структур показывает, как L-Cry отличает лунный свет от солнечного. Лунная форма белка может быть создана только из димера в темноте - не из свободно плавающей формы солнечного света. Это помогает объяснить, как черви не принимают тусклый свет рассвета и заката за лунный свет.

Хотя в данном исследовании рассматривается только один белок у одного живого существа, есть основания полагать, что этот механизм определения лунного времени является частью эволюционной истории, которая выходит за рамки зрелищных брачных игр многощетинкового червя. «Вполне возможно, что другие типы криптохромов также используют подобный механизм», - говорит Крейн.

«Месячные репродуктивные циклы есть и у других животных, хотя они не обязательно связаны с Луной напрямую. У людей, например, цикл примерно такой же», - говорит Тессмар-Рейбл.

Любая возможная роль фаз Луны в синхронизации менструального цикла человека является весьма спорной. Тем не менее, менструация, месяцы и луна могут иметь не только этимологические корни. По словам Тессмар-Рейбл, гормоны многощетинковых червей, которые колеблются синхронно с лунными фазами, имеют близких родственников среди людей. «Я не думаю, что это слишком надуманно, чтобы предположить, что поведение червей может пролить свет на понимание месячных репродуктивных циклов у людей». 

Возможно, современные 28-дневные циклы - это отголоски эволюции, собранные из кусочков более древнего клеточного часового механизма, который когда-то в мелком первобытном море помогал морским червям следить за циклом Луны.