Egy nyári éjszakán a Nápolyi-öbölben férgek tömegei úsznak felfelé a tengeri fűvel borított mélyből a vízfelszín felé. Nem sokkal korábban az állatok drámai átalakulásba kezdenek: emésztőrendszerük elsorvad, úszóizmaik megnőnek, és közben testük feltelik petesejtekkel vagy hímivarsejtekkel. Az ujjnyi hosszúságú lények, amelyek ezen a ponton leginkább egy ivarsejtekkel teli, izmos zsákra hasonlítanak, egyszerre emelkednek a felszínre, hogy néhány órán át intenzív násztáncot járva körözzenek egymás körül. Számtalan petesejtet és spermiumot bocsátanak ki az öböl vizébe, majd a holdfényes keringő a férgek halálával ér véget.
A tengeri gyűrűsféregnek (Platynereis dumerilii) csak egyetlen esélye van a párosodásra, így első és utolsó táncát célszerű, ha nem egyedül lejti. Annak érdekében, hogy kellő mennyiségű féreg gyűljön össze egyszerre, a faj a szaporodását a Hold járásához igazítja. De honnan tudja egy tengermélyi féreg, hogy mikor a legfényesebb a Hold? Az evolúció válasza erre egy pontos belső óra, amelyet egy molekula „élesít”, érzékelve a Hold sugarait.
A legutóbbi időkig senki sem értette, hogyan működhet ez ilyen „holdfénymolekula”, nemrégiben azonban a Nature Communications című folyóiratban megjelent tanulmányukban német kutatók leírták, hogy ezen férgek egyik releváns fehérjéje milyen szerkezeteket vesz fel sötétben és napfényben.
Olyan biokémiai részleteket is feltártak, amelyek segítenek megmagyarázni, hogyan tehet különbséget a fehérje a fényesebb napsugarak és a lágyabb holdfény között.
Ez az első alkalom, hogy a szakértők meghatározták a biológiai óra holdfázisokkal való szinkronizálásáért felelős fehérje molekuláris szerkezetét. Az ilyen felfedezések sokféle élőlény, köztük az ember fiziológiája szempontjából is fontosak lehetnek. „Példátlannak számít, hogy ezeket a mechanizmusokat ilyen molekuláris részletességgel megértsük” – mondja Eva Wolf, a németországi Johannes Gutenberg Egyetem biokémikusa, a tanulmány egyik társszerzője. „Ezek a vizsgálatok segítenek abban, hogy elkezdjük megismerni, hogyan működhetnek a holdfény-oszcillátorok és a holdfázisokkal való szinkronizáció.”
Belső órák
Bár manapság gyakrabban ébredünk az ébresztőóra vagy a telefonunk csörgésére, mint a hajnal első fényeire, a testünk még mindig igazodik a Naphoz. Az emberekben, mint sok más állatban, a cirkadián óráknak nevezett kifinomult biológiai időmérők szinkronizálják a test ritmusát a napszakok változásaihoz. Az úgynevezett kriptokróm fehérjék számos szervezet cirkadián óráinak fontos részei: ezek vagy a fényt érzékelik, például a növényekben, vagy más fehérjékkel hangolódnak össze, amelyek az érzékelést végzik, például az emberekben.
Bár a Hold több százezerszer halványabb, mint a Nap, mégis rendszeres ciklusban világítja meg a Föld felszínét. Egy teljes ciklus, az újholdtól teliholdig és ismét az újholdig, 29,5 napig tart. Számos élőlény, különösen a különböző tengeri élőlények, megbízható óraként használják ezt a ciklust. A korallok, a kagylók, a tengeri férgek, sőt egyes halak is a holdfázisokhoz igazítják szaporodási tevékenységüket.
Cirkalunáris órájuk összehangolásához azonban a cirkadián órákhoz hasonlóan ezen élőlényeknek valahogy érzékelniük kell a holdfényt, és meg kell különböztetniük azt a napfénytől, amely lényegében ugyanolyan típusú fény, csak sokkal intenzívebb.
Az, hogy a sejtek pontosan hogyan képesek vezetni a holdnaptárt, és nemcsak megkülönböztetni a holdfényt a napfénytől, hanem a teliholdat is az újholdtól –, nagyrészt még mindig rejtély a szakértők előtt.
Az utóbbi évtizedekben azonban a szakértők azt kezdték vizsgálni, hogy a kriptokrómok a cirkadián ritmushoz hasonlóan részt vehetnek-e a holdciklus monitorozásában is. 2007-ben bizonyos korallokban találtak is erre utaló jeleket: ezek fehérjéi a fény intenzitásától függően aktívabban vagy kevésbé aktívan fejezik ki a kriptokróm fehérjéket.
Páratlan páros
Wolf néhány évvel ezelőtt összefogott Kristin Tessmar-Raible kronobiológussal, a Bécsi Egyetem Max Perutz Laboratóriumának munkatársával, hogy tengeri gyűrűsféregeket tenyésszenek, amelyek a szaporodásukat a holdfázisokhoz igazítják. Vizsgálataik során igazolták, hogy az L-Cry nevű fényérzékelő kriptokróm a féreg holdórájának kritikus része. 2022-ben publikált tanulmányukban arról számoltak be, hogy a fehérje képes megkülönböztetni a sötétséget a napfénytől, valamint a holdfényt a napfénytől és a sötéttől is.
Az azonban nem volt világos, hogyan működik a fehérje, és valójában egyetlen organizmus cirkalunáris óráját sem értették biokémiai szinten. „Eléggé figyelmen kívül hagyta mindenki a témát” – mondja Wolf. „Nem vették komolyan a holdfény érzékelésére utaló finom jeleket, hanem mindig a napfény és a sötétség volt a fókuszban.”
Hogy megtudják, hogyan működik az L-Cry, a kutatók meg akarták megörökíteni, hogyan változik a szerkezete, amikor fénynek van kitéve. Wolf az L-Cry-fehérjéket a Kölni Egyetemre szállította, hogy Elmar Behrmann szerkezeti biokémiai laboratóriumában leképezhessék őket. Azonban Behrmann tapasztalt, érzékeny fehérjékre szakosodott csapata is évekig küzdött azért, hogy az L-Cry fehérjét úgy tudják kezelni, hogy azt krio-elektronmikroszkóppal le lehessen képezni.
Ráadásul akkor még nem tudták, de a minták közben fényt kaptak. „Másfél éven keresztül, amikor azt hittük, hogy sötétben dolgozunk, nem volt elég sötét” – mondja Behrmann, ami további zavarokat okozott a munkában. Végül miután minden ajtórepedést és villogó LED-et fekete szilikonszalaggal takartak le, végre sokkal tisztább képet kaptak.
A tengeri gyűrűsférgek L-Cry fehérjéi a sötétben párokká, úgynevezett dimerekké állnak össze. Amikor intenzív napfény éri őket, a dimerek ismét két monomerre bomlanak szét.
A Hold és a ciklusok
Ez pont az ellenkezője annak, ahogyan a fényérzékelő kriptokrómok a növényekben megkülönböztetik a napfényt a sötétségtől, mondta Crane. A növényi kriptokrómok napfényben állnak össze, sötétben pedig szétesnek. Az L-Cry holdfényes formáját nem sikerült közvetlenül megragadni ezekben a kísérletekben, de a dimer szerkezetek vizsgálata feltárta, hogyan különbözteti meg az L-Cry a holdfényt a napfénytől. A fehérje holdfényes formája csak a sötétben létező dimerből hozható létre – a monomer napfényes formából nem. Ez segít megmagyarázni, hogyan kerülik el a férgek, hogy a hajnali és szürkületi homályos fényviszonyokat összekeverjék a holdfénnyel.
Bár ez a vizsgálat egyetlen állat egyetlen fehérjéjére összpontosít, okkal gondolhatjuk, hogy ez a cirkalunáris mechanizmus egy olyan evolúciós történet része, amely túlmutat a tengeri gyűrűsféreg tragikus holdfényes románcán. „Nagyon is lehetséges, hogy a kriptokrómok más típusai is ilyen típusú mechanizmussokkal működnek” – mondja Crane.
Más fajoknál is létezik havi szaporodási ciklus, bár ezek nem feltétlenül kapcsolódnak közvetlenül a Holdhoz. Például nekünk, embereknek is körülbelül ugyanolyan hosszú a ciklusunk, mint a holdciklus, mondja Tessmar-Raible: „A menstruációs ciklus is egy havi oszcillátor.”
A holdfázisok esetleges szerepe az emberi menstruációs ciklus szinkronizálásában erősen vitatott, de nem is zárható ki valamiféle kapcsolat a kettő között. A férgek holdfázisokkal szinkronban változó hormonjainak léteznek közeli rokonai az emberben, mondta Tessmar-Raible, aki szerint ezek a férgek fontos információkkal járulhatnak hozzá az emberi reprodukciós ciklus időzítésének megértéséhez.
Lehetséges, hogy a mai, átlagosan 28 napos ciklus evolúciós maradvány, amely egy ősi sejtszintű órán alapul, amely egykor a sekély, ősi tengerben segített azoknak a tengeri férgeknek a holdciklushoz igazodni, akik az elődeink voltak.
