Jak wynika z badań przeprowadzonych przy pomocy „wyzwania z wiadrem lodu”, bakterie wykorzystują swój wewnętrzny 24-godzinny zegar, aby przewidywać nadejście nowej pory roku.
Odkrycie to może mieć istotne znaczenie dla zrozumienia roli, jaką rytmy dobowe – molekularna wersja zegara – odgrywają w adaptacji gatunków do zmian klimatycznych, od migrujących zwierząt po rośliny kwitnące.
Zespół odpowiedzialny za odkrycia nadał populacjom sinic (cyjanobakterii) różne sztuczne długości dnia przy stałej, ciepłej temperaturze. Próbki na płytkach otrzymywały albo krótkie dni, albo dni równonocy (równe światło i ciemność), albo długie dni, przez osiem dni.
Po tym zabiegu sinice zanurzono w lodzie na dwie godziny i monitorowano ich przeżywalność.
Próbki wystawione na działanie kilku krótkich dni (osiem godzin światła i 16 godzin ciemności) w celu przygotowania do wyzwania w postaci lodu, osiągnęły wskaźnik przeżywalności wynoszący 75%, co jest wynikiem nawet trzykrotnie wyższym niż w przypadku kolonii, które nie były w ten sposób przygotowane.
Jeden krótki dzień nie wystarczył, aby zwiększyć odporność bakterii na zimno. Dopiero po kilku krótkich dniach, a optymalnie po sześciu do ośmiu dniach, szanse bakterii na przeżycie znacznie się poprawiły.
U sinic, którym usunięto geny tworzące zegar biologiczny, wskaźniki przeżywalności były takie same niezależnie od długości dnia. Wskazuje to, że fotoperiodyzm (zdolność do pomiaru cyklu dzień-noc i zmiany fizjologii w oczekiwaniu na nadchodzący sezon) jest kluczowy w przygotowywaniu bakterii do długoterminowych zmian środowiskowych, takich jak nowy sezon lub zmiany klimatu.
„Wyniki wskazują, że bakterie w naturze używają swoich wewnętrznych zegarów do pomiaru długości dnia i gdy liczba krótkich dni osiąga pewien punkt, jak to się dzieje jesienią, 'przełączają się' na inną fizjologię w oczekiwaniu na zimowe wyzwania, które nadejdą” – wyjaśniła pierwsza autorka badania, dr Luísa Jabbur, która była badaczką na Uniwersytecie Vanderbilt w Tennessee, w laboratorium prof. Carla Johnsona, gdy badanie miało miejsce, a obecnie jest stypendystką BBSRC Discovery Fellow w John Innes Centre.
Laboratorium Johnsona ma długą historię badań nad zegarem biologicznym sinic, zarówno z perspektywy mechanistycznej, jak i ekologicznej.
Poprzednie badania wykazały, że bakterie mają rodzaj zegara biologicznego, który może umożliwiać im mierzenie różnic w długości dnia i nocy, co może stanowić przewagę ewolucyjną.
Badanie, którego wyniki opublikowano w czasopiśmie Science, jest pierwszym badaniem, w którym wykazano, że fotoperiodyzm u bakterii wykształcił się w celu przewidywania sygnałów sezonowych.
Na podstawie tych odkryć otwiera się zupełnie nowy horyzont eksploracji naukowej. Kluczowym pytaniem jest: w jaki sposób organizm, którego długość życia wynosi od sześciu do 24 godzin, rozwija mechanizm, który umożliwia mu nie tylko reagowanie na przyszłe warunki, ale także ich przewidywanie?
„To tak, jakby wysyłały sygnały swoim komórkom potomnym i wnuczkom, przekazując informację, że dni stają się coraz krótsze i trzeba coś zrobić” – powiedział dr Jabbur.
Dr Jabbur i jej współpracownicy z John Innes Centre, w ramach swojego stypendium BBSRC Discovery Fellowship, wykorzystają sinice jako szybko rozmnażający się gatunek modelowy, aby zrozumieć, w jaki sposób reakcje fotoperiodyczne mogą ewoluować u innych gatunków w trakcie zmian klimatycznych. Wyniki te mogą mieć obiecujące zastosowanie w uprawach głównych.
Kluczową częścią tej pracy będzie lepsze zrozumienie molekularnych systemów pamięci, za pomocą których informacje są przekazywane z pokolenia na pokolenie w gatunkach. Badania będą badać możliwość, że akumulacja związków w nocy w krótkie dni działa jak przełącznik molekularny, który wyzwala zmianę na inną fizjologię lub fenotyp.
Dla dr Jabbur odkrycia te stanowią przełom naukowy na wczesnym etapie jej kariery, mimo początkowego sceptycyzmu jej naukowego mentora i autora korespondencyjnego artykułu, profesora Carla Johnsona.
„Carl jest fascynującą osobą i inspiracją, a także śpiewa w Nashville Symphony Chorus i ma operowy śmiech! To odbiło się echem w całym wydziale, gdy po raz pierwszy przedstawiłem swój pomysł na wyzwanie lodowe, aby sprawdzić, czy fotoperiod był sygnałem dla sinic w ich naturalnym środowisku” — powiedział dr Jabbur.
„Żeby być uczciwym, kazał mi odejść i spróbować, a gdy odchodziłem, pokazał mi na drzwiach tabliczkę z cytatem Franka Westheimera: „Postęp osiągają młodzi naukowcy, którzy przeprowadzają eksperymenty, o których starzy naukowcy mówią, że się nie powiodą”.
„Zadziałało, za pierwszym razem. Potem powtórzyłem eksperymenty. Jest coś bardzo cennego w patrzeniu na zestaw płytek z bakteriami i uświadomieniu sobie, że w tym momencie wiesz coś, czego nikt inny nie wie”.
Bakterie potrafią przewidywać pory roku: fotoperiodyzm u sinic został opisany w czasopiśmie Science.