A Nap égi útja fontos szerepet játszik az életformák belső órájának vezérlésében. Egyes fajok a nappal ébrednek és éjjel alszanak. Mások éppen ellenkezőleg tesznek, és vannak olyanok is, amelyek egészen szokatlan időbeosztást követ. Ezeket a természetesen vezérelt, 24 órás biológiai ciklusokat cirkadián ritmusoknak nevezzük, amelyek nem csupán az lefekvési időt jelzik: szabályozzák a hormonokat, az anyagcserét, a DNS-javítást és még sok mást. Ha pedig az élet ezen ritmusa felborul, az súlyos következményekkel járhat az egészségre, a szaporodásra és a túlélésre nézve is.
Óra hiányában sok faj egy belső rendszer segítségével méri az időt, egy egymással kölcsönhatásban álló génekből és azok fehérjéiből álló rendszerrel, amely hatékonyan követi nyomon a 24 órás időszak előrehaladását, és amelyet a napfény kalibrál. Ez a típusú cirkadián óra széles körben elterjedt, még az egysejtű algákban is megtalálható, ami arra utal, hogy a biológiai időmérés ezen formája évmilliárdokkal ezelőtt alakult ki. Az állatok között a legtöbb faj ugyanazzal a genetikai rendszerrel rendelkezik, amely a CLOCK, BMAL1 és CRY nevű géneket, vagy azok azonosítható homológjait használja. Ez a biológiai óramű-mechanizmus még az ősi leszármazási vonalakban is megjelenik, beleértve a szivacsokat és egyes medúzákat.
De vajon ez az egyetlen módja az idő nyomon követésének a biológiában? Úgy tűnik, hogy nem, egy Japán partjainál élő, borsó nagyságú medúzában ugyanis a biológusok egy másfajta időmérési módszert azonosítottak.
Evolúciójuk során a hidrozoák osztálya, amelybe a medúzák, a hidraállatok és a szifonoforák tartoznak, elvesztette azokat a géneket, amelyek az állatvilág többi részében a cirkadián órát működtetik. Egy újonnan felfedezett medúzafaj azonban mégis rendelkezik cirkadián órával, amely azonban egészen más típusú, mint a többi, és 20 órás periódusokat követ. Mindez arra utal, hogy megszokott mechanizmustól függetlenül fejlődött ki. A szakértők idén januárban a PLOS Biology folyóiratban számoltak be vonatkozó eredményeikről, amelyek jelentősen bővíthetik a cirkadián fogalmának határait.
A tudomány számára új fajnak számító medúzában talált óra nemcsak azért szokatlan, mert a Föld 24 órás napja helyett 20 órás ciklust követ, hanem azért is, mert úgy tűnik, hogy egy molekuláris időzítővel párosul, amely napkeltétől számol vissza addig, amíg el nem jön a medúza szaporodásának ideje. Ennek a meglepő mechanizmusnak a léte azt is sugallja, hogy a szakértők figyelmét más nem hagyományos cirkadián órák is elkerülhették az élővilágban.
„Az ilyen rendszerek sokkal elterjedtebbek lehetnek, de eddig nem kerestük őket, és csak adott a genetikai komponenseket vizsgáltunk” – mondja Ezio Rosato, a Leicester-i Egyetem kronobiológusa, aki tudományos kommentárt írt az új tanulmányhoz. „Bármilyen molekuláris mechanizmussal lehet időt mérni. Csak megfelelően szervezett reakciósorozatra van szükség” – folytatja a szakértő.
A napkelte, mint kapcsoló
Degucsi Riuszaku negyedévente egyszer elviszi a Mijagi Pedagógiai Egyetem hallgatóit Izusimába, egy kis szigetre Japán északkeleti partjainál. A halászkikötő vizében rengeteg borsónál is kisebb, áttetsző gömb lebeg, amelyekből hallgatóival mintát vesznek, hogy a több mint tucatnyi medúzafaj képviselőit később a laborban tanulmányozzák, elsősorban szaporodási ciklusaikat vizsgálva.
Kicui Ruka elsőéves hallgatóként kapcsolódott be ebbe a munkába, és annyira megtetszett neki a medúza-ivarsejtek fejlődésének vizsgálata, hogy a fizika és a kémia tanulmányozása helyett a biológia területére váltott. Később hivatalosan is csatlakozott Degucsi laborjához, hogy a gerinctelenek fejlődését tanulmányozza, és mesterszakos szakdolgozatát is a medúzák szaporodásának szentelte, egy szokatlan populációra összpontosítva.
A laborban vizsgált medúzák többsége naponta ívott, általában napkelte után nem sokkal bocsátva ki petéit és spermáját a vízbe. De Kicui állatai furcsák voltak: ők éjszaka kezdték a szaporodást.
Azoknál a fajoknál, amelyek tömeges ívással szaporodnak, beleértve egyes korallokat és medúzákat, a pontos időzítés elengedhetetlen. Az ivarsejteket az állatok közvetlenül a vízbe bocsátják, a megtermékenyítést sok szempontból a véletlenre bízva: ha a petesejtek érkezésekor nincsenek hímivarsejtek a vízben, abból nem lesz következő generáció. Ezért ezek a fajok különböző molekuláris mechanizmusokat fejlesztettek ki az ívás szinkronizálására, gyakran olyan fehérjéket használva, amelyek a fényjeleket érzékelik és ezekre reagálnak.
Kicui tudta, hogy az általa vizsgált faj éjszakai aktivitása mögött is valamilyen molekuláris mechanizmusnak kell lennie. De a nyilvánvalónak tűnt, hogy ezt nem indíthatja be a fény, legalábbis nem közeli ingerként. A kutató ezért egy sor megvilágítási kísérlettel kezdte munkáját. Először 12 órás mesterséges fényben, majd 12 órás sötétségben tartotta a nőstényeket – ami nagyjából tükrözi a természetes nappal-éjszaka ciklust. Az állatok minden alkalommal pontosan két órával „alkonyat” után a vízbe bocsátották petéiket. Kivui és Degucsi eleinte azt feltételezték, hogy a fényről sötétségre való átmenet jelzi az ívás idejét.
Viszont amikor két órával korábban kapcsolták fel a fényeket, így a „hajnal” hamarabb következett be, az „alkonyat” időpontja viszont változatlan maradt, a medúzák két órával korábban ívtak.
Mit tennének a medúzák folyamatos napfény mellett? Kicui meglepetésére a medúzák ilyenkor 20 óránként fényjel nélkül is ívtak. Ez arra utal, hogy a korábban ismeretlen medúzafaj – amelyet hivatalos elnevezéséig Clytia sp. IZ-D-ként tartanak számon – valamilyen belső cirkadián ritmussal rendelkezik. Kicui tudta, hogy a C. sp. IZ-D órája nem az állatokban elterjedt cirkadián génekből áll, mert ez a hidrozoa-vonal az evolúció során elvesztette azokat. Mégis szinte minden követelménynek megfelelt, amelyet a kronobiológusok a cirkadián órák kapcsán meghatároztak.
Visszaszámlálás indul
A cirkadián órának önfenntartónak és belső vezérlésűnek kell lennie, ahogyan a medúzák 20 órás ívási ciklusa is az. Emellett környezeti ingereknek, például a fénynek is szabályoznia kell. Míg a medúzák ívási órája a laboratóriumban állandó fény mellett 20 órás ciklusban működik, a természetben minden nap újraindul. Egy „megszokott” cirkadián ritmusnál, mint amilyen a miénk is, a hőmérsékletnek sem szabadna hatással lennie a belső órára (legalábbis a napira). Kicui kísérleteiben viszont a melegebb víz gyorsította a 20 órás órát, a hidegebb víz pedig lassította.
Vagyis ez valóban egy molekuláris biológiai óra, de nem egészen olyan, ahogyan a kutatók korábban definiálták a cirkadián órákat.
„Kíváncsi vagyok, hogyan fogják ezt fogadni a kronobiológia területén” – mondta Kristin Tessmar-Raible, az Alfred Wegener Intézet és a Bécsi Egyetem kronobiológusa, aki nem vett részt a kutatásban. Lehet szó valódi cirkadián ritmusról, ha megszegi a három szabály bármelyikét? Vagy valami másnak kell tekinteni?
Ráadásul a 20 órás cirkadián óra nem képes teljes mértékben megmagyarázni a medúzák naplemente utáni ívási viselkedését. Az időmérő rendszernél kell lennie egy másik összetevőnek is, állapították meg a szakértők. Hogy jobban megértsék, mi zajlik az új fajban, Degucsi és Kicui egy közeli rokonhoz, a Clytia hemisphaerica fajhoz fordultak. A C. hemisphaerica külsőre megegyezik a C. sp. IZ-D-vel, azonban ez egy alaposan tanulmányozott állatmodell, amelynél az ívási és szaporodási folyamatok részletei jól ismertek.
A C. hemisphaerica minden nap napkelte után két órával ívik. Ez a folyamat a nap első fényével kezdődik, amikor a nemi mirigyekben található, opszinoknak nevezett fényérzékeny fehérjék érzékelik a napfényt, és ezzel elindítják egy hormon termelődését, amely beérleli a fejlődő ivarsejteket.
A csapat gyanítja, hogy az új C. sp. IZ-D faj ennek a mechanizmusnak egy kissé módosított változatával rendelkezik, amelyben a hormon lassan szabadul fel, ami a gaméták érési folyamatát körülbelül 14 órára nyújtja.
Amint elegendő mennyiségű hormon halmozódik fel, és a gaméták teljesen beérnek, a medúzák egyszerre ívnak – vagyis nagyjából két órával naplemente után.
„Kronobiológusként nagyon érdekes látni, hogy egy rendszer a már korábbról ismert eszközökkel (vagy azokhoz nagyon hasonlókkal) egy másik szerveződési szintet ér el” – mondja Rosato. Egy apró változás, a hormon lassabb felhalmozódása és ezáltal a gaméták lassabb érése, sokkal komplexebb szerveződési szintet eredményez, magyarázza a kutató.
Degucsi és Kicui most azt tervezik, hogy összehasonlítják a C. hemisphaerica és a C. sp. IZ-D genomját, hogy feltárják a 20 órás kvázi cirkadián óra és a 14 órás visszaszámláló óra működésében szerepet játszó molekuláris mechanizmusokat. Kicui egyébként emellett 2026 áprilisában a Tohoku Egyetemen kezdi meg doktori tanulmányait, ahol a kagylók szaporodására fókuszálva folytatja a gerinctelenek fejlődési sajátosságainak tanulmányozását. A szokatlan óra pedig, amelyre elsőként bukkant rá, máris hatással van a tudományágra. Az eredmények számos további kutatást inspirálhatnak, hiszen rámutatnak arra, hogy mennyire eltérő megoldások létezhetnek az ismertnek hitt jelenségekre is.
