Генетические часы у зоопланктона регулируют крупнейшее суточное перемещение биомассы в мире

Копепод Calanus finmarchicus планирует свой день с помощью внутренних генетических часов, работающих независимо от внешних стимулов. Эти часы формируют метаболические ритмы рачка и его суточную вертикальную миграцию. Это, в свою очередь, оказывает огромное влияние на всю пищевую сеть Северной Атлантики, где Calanus finmarchicus является ключевым видом планктона. Местонахождение высококалорийного копепода определяет распределение его видов-хищников. Результаты исследования будут опубликованы в журнале Current Biology.

В мировом океане происходит масштабная вертикальная миграция. В сумерках множество видов планктона, таких как копеподы и криль, поднимаются к поверхности, где питаются одноклеточными водорослями, которым для роста нужен свет. Ночная темнота защищает планктон от хищников, например рыб, которым для охоты нужен свет. На рассвете они опускаются обратно в темные глубины, где скрываются от хищников в течение дня. Этот цикл, вероятно, представляет собой крупнейшее суточное перемещение биомассы на планете. Хотя явление было открыто более века назад, исследователи до сих пор изучают, какие сигналы используют морские организмы для принятия решения о подъеме и спуске.

Свет кажется важным фактором, однако миграция продолжается во время полярной ночи и в глубоководных зонах, где света почти нет. Специалисты из Института полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера (AWI) показали, что у копепода Calanus finmarchicus есть внутренние генетические часы, создающие специфичный 24-часовой ритм независимо от окружающих условий. Свет нужен лишь для периодической «перезагрузки» часов. «Эти часы регулируют ритм метаболической активности копеподов, а также их суточную вертикальную миграцию», — поясняет первый автор Сёрен Хэфкер.

В сотрудничестве с коллегами из Ольденбургского университета и Шотландской ассоциации морских наук он детально изучил этот внутренний часовой механизм и сравнил суточную миграцию с ритмом генетических часов. «Мы были поражены, увидев, насколько точно генетические часы сохраняли свой 24-часовой ритм без каких-либо внешних стимулов, и что мы обнаружили тот же ритм в контролируемых лабораторных условиях, что и в естественной среде обитания — заливе Лох-Этив в Шотландии», — отмечает Хэфкер.

В естественной среде копеподы могут преодолевать несколько сотен метров в своих ежедневных миграциях. Исследователи смогли подтвердить тот же паттерн движения в лабораторных экспериментах. Они начали с имитации естественного суточного ритма, а затем содержали животных в постоянной темноте в течение нескольких дней. В этих условиях они измеряли потребление кислорода (как показатель метаболической активности), поведение при вертикальной миграции и активность различных «часовых генов». В тестовых резервуарах высотой около метра ритмичная вертикальная миграция продолжалась так же, как и в природе, даже в постоянной темноте. Это поведение показывает, что миграция регулируется генетическими часами. В результате крошечные ракообразные могут предсказывать суточный цикл, позволяя им уходить в более глубокие слои воды до того, как появится достаточно света для хищников.

Копепод Calanus finmarchicus накапливает в своем теле большие жировые запасы, что делает его привлекательным источником пищи для многих более крупных животных. Поэтому его ежедневная миграция чрезвычайно важна для экосистемы. Это особенно актуально, поскольку из-за глобального потепления распространение многих морских видов сместилось ближе к полюсам. Однако продолжительность светового дня вблизи полюсов в течение года меняется гораздо сильнее, что ставит вопрос о том, могут ли внутренние часы копеподов справиться с этими экстремальными условиями. «Только если мы поймем, как функционируют генетические часы и как они влияют на жизнь в океанах, мы сможем предсказать, как морские виды отреагируют на будущие изменения в своей среде — например, из-за изменения климата — и какие последствия это будет иметь для морских экосистем», — заключает Сёрен Хэфкер.