月球周期如何引导海洋生物的产卵 | 科学

红海北端亚喀巴湾的傍晚，汤姆·施莱辛格 (Tom Shlesinger) 准备潜水。 白天，海底充满生机和色彩； 到了晚上，它看起来更加陌生。 Shlesinger 正在等待一种现象，这种现象每年对大量珊瑚物种发生一次，通常发生在满月之后的几个晚上。

在手电筒的指引下，他发现了它：珊瑚释放出一束五颜六色的卵子和精子，紧紧地挤在一起。 “你看着它，它开始流到地表，”施莱辛格说。 “然后你抬起头，转身，你会发现：同一物种的所有群体现在都在这样做。”

一些珊瑚物种会释放出粉红色至紫色的束状物，而另一些则释放出黄色、绿色、白色或其他各种颜色的束状物。 “这是一种非常美妙的美感，”特拉维夫大学和以色列埃拉特大学海洋科学研究所的海洋生态学家施莱辛格说，他在多年的潜水过程中目睹了这一表演。 珊瑚通常在 10 分钟到半小时的紧迫时间窗口内的傍晚和夜间产卵。 “时间是如此精确，你可以在它发生的时候设置你的时钟，”施莱辛格说。

几个世纪以来，人们一直观察到海洋生物受月亮控制的节律。 例如，有计算的猜测，克里斯托弗·哥伦布在 1492 年遇到了一种发光的海洋蠕虫，它们在月球时间进行交配舞蹈，就像“一根小蜡烛的火焰交替升起和降低”。 海贻贝、珊瑚、多毛类蠕虫和某些鱼类等多种动物被认为可以通过月球同步它们的繁殖行为。 关键的原因是这些动物——例如，大堡礁的一百多种珊瑚——在受精发生之前释放它们的卵子，同步使卵子和精子相遇的可能性最大化。

它是如何工作的？ 长期以来，这一直是个谜，但研究人员越来越接近理解。 至少 15 年前，他们就知道珊瑚和许多其他物种一样，含有称为隐花色素的光敏蛋白，并且最近报道说，在石珊瑚中， 川续断，日落和月出之间的黑暗时期似乎是几天后触发产卵的关键。

现在，在海洋刚毛虫的帮助下 扁桃体， 研究人员已经开始梳理出无数海洋物种可能关注月球周期的分子机制。

刚毛虫最初来自那不勒斯湾，但自 1950 年代以来一直在实验室饲养。 它特别适合此类研究，维也纳大学的时间生物学家 Kristin Tessmar-Raible 说。 在它的繁殖季节，它会在满月后的几天内产卵：成虫会在一个黑暗的时刻集体浮出水面，进行一场婚礼舞蹈并释放它们的配子。 繁殖后，蠕虫破裂死亡。

Tessmar-Raible 说，这些生物需要这样精确计时的工具——精确到一个月中的几天，然后精确到一天中的几个小时——类似于我们安排会议所需的工具。 “我们整合了不同类型的计时系统：手表、日历，”她说。 就蠕虫而言，必需的计时系统是每日或昼夜节律时钟以及另一个用于每月清算的昼夜节律时钟。

为了探索蠕虫的时间，Tessmar-Raible 的小组开始对蠕虫中携带制造隐花色素指令的基因进行实验。 该小组特别关注一种名为 L-Cry 的鬃毛蠕虫中的隐花色素。 为了弄清楚它参与同步产卵，他们使用遗传技巧来灭活 我哭了 基因并观察蠕虫的月球时钟发生了什么。 他们还进行了分析 L-Cry 蛋白的实验。

虽然这个故事还远未完成，但科学家们有证据表明这种蛋白质在一些非常重要的事情中起着关键作用：区分日光和月光。 L-Cry 实际上是“自然光解释器”，Tessmar-Raible 和合著者在 2023 年海洋生物节律概述中写道 海洋科学年度回顾.

这个角色至关重要，因为为了同步并在同一晚产卵，这些生物需要能够在大约 29.5 天的周期中与月亮的模式保持一致——从满月开始，当月光明亮并持续一整夜，直到月圆月缺时变得更暗、持续时间更短的照明。

科学家们发现，当 L-Cry 不存在时，蠕虫无法正确区分。 这些动物与实验室内人造月球的明暗周期紧密同步——“阳光”比真正的太阳暗，“月光”比真正的月亮亮。 换句话说，没有 L-Cry 的蠕虫会锁定不切实际的光周期。 相比之下，当夜间照明与刚毛虫的自然环境更接近时，仍然制造 L-Cry 蛋白的正常蠕虫更具辨别力，并且能够更好地正确同步它们的月球时钟。

研究人员还积累了其他证据，证明 L-Cry 是月球计时的重要参与者，有助于从月光中辨别阳光。 他们纯化了 L-Cry 蛋白，发现它由两条结合在一起的蛋白质链组成，每一半都含有一种称为黄素的吸光结构。 每种黄素对光的敏感度非常不同。 正因为如此，L-Cry 可以对类似于太阳光的强光和相当于月光的微光（强度超过五个数量级的光）做出反应，但结果却截然不同。

例如，在昏暗的“月光”照射四个小时后，蛋白质中发生了光诱导的化学反应——光还原——在连续“月光”照射六个小时后达到最大值。 科学家指出，六个小时很重要，因为在满月时，蠕虫只会遇到相当于六个小时的月光。 因此，这将使该生物与每月的月球周期同步，并选择合适的夜晚产卵。 “我发现我们可以描述一种可以测量月相的蛋白质，这非常令人兴奋，”IMB 美因茨和约翰内斯古腾堡大学美因茨的结构生物学家 Eva Wolf 说，她是 Tessmar-Raible 的合作者。

蠕虫怎么知道它感应的是月光，而不是阳光呢？ 科学家们发现，在月光条件下，两种黄素中只有一种被光还原。 相比之下，在强光下，两种黄素分子都被光还原，而且非常快。 此外，这两种类型的 L-Cry 最终进入了蠕虫细胞的不同部分：细胞质中的完全光还原蛋白，它很快被破坏，而部分光还原的 L-Cry 蛋白位于细胞核中。

总而言之，这种情况类似于拥有“用于月光检测的高灵敏度‘低光传感器’和用于日光检测的灵敏度低得多的‘强光传感器’”，作者在 2022 年发表的一份报告中总结道。

当然，还有许多谜题。 例如，尽管 L-Cry 分子的两种截然不同的命运可能会在蠕虫内部传递不同的生物信号，但研究人员尚不清楚它们是什么。 科学家们说，虽然 L-Cry 蛋白是区分日光和月光的关键，但其他感光分子也必须参与其中。

在另一项研究中，研究人员在实验室中使用相机记录蠕虫开始产卵时爆发的游泳活动（蠕虫的“婚礼舞”），并通过基因实验对其进行跟踪。 他们证实，在指定的产卵夜，另一种分子是蠕虫在正确的一到两个小时窗口内产卵的关键——即日落和月出之间那晚的黑暗部分。

科学家们发现，这种被称为 r-Opsin 的分子对光极其敏感——大约是普通人眼中发现的黑视蛋白的一百倍。 研究人员提出，它通过充当月出传感器来修改蠕虫的每日时钟（月亮每晚晚些时候连续升起）。 这个概念是，将来自 r-Opsin 传感器的信号与来自 L-Cry 的关于它是什么样的光的信息相结合，允许蠕虫在产卵之夜选择合适的时间上升到水面并释放它的配子.

常驻计时员

当生物学家梳理出同步这么多海洋生物活动所需的计时员时，问题就冒出来了。 这些计时员具体住在哪里？ 在生物钟已得到充分研究的物种中——例如 果蝇 和老鼠——中央计时器位于大脑中。 在海洋刚毛虫中，时钟存在于其前脑和躯干的周围组织中。 但其他生物，如珊瑚和海葵，甚至没有大脑。 “是否有一群神经元充当中央时钟，或者它更加分散？ 我们真的不知道，”伍兹霍尔海洋研究所的海洋生物学家 Ann Tarrant 说，她正在研究海葵的时间生物学 线虫.

科学家们也有兴趣了解可能与海洋生物一起生活的微生物所扮演的角色。 珊瑚喜欢 鹿角珊瑚例如，通常有藻类在其细胞内共生。 “我们知道像那样的藻类也有昼夜节律，”塔兰特说。 “所以当你把珊瑚和藻类放在一起时，要知道它是如何工作的就很复杂了。”

研究人员也担心光污染世界中珊瑚产卵等壮观同步事件的命运。 如果珊瑚时钟机制与刚毛虫相似，那么生物如何能够正确检测到自然满月？ 2021 年，研究人员报告了实验室研究表明，光污染会使两种珊瑚的产卵不同步—— 鹿角珊瑚 和 鹿角珊瑚 – 发现于印度太平洋。

Shlesinger 和他的同事 Yossi Loya 已经在红海的几种珊瑚物种的自然种群中看到了这一点。 在 2019 年的报告中，科学家们将四年的产卵观察值与 30 年前同一地点的数据进行了比较。 他们研究的五个物种中的三个显示出产卵不同步，导致珊瑚礁上新的小珊瑚的数量减少，甚至没有。

除了人造光，施莱辛格认为可能还有其他罪魁祸首，例如干扰内分泌的化学污染物。 他正在努力了解这一点——并了解为什么有些物种不受影响。

根据他迄今为止的水下观察，施莱辛格认为，他观察过的 50 多种物种中，大约有 10 种可能在红海中不同步，红海北部被认为是珊瑚的气候变化避难所，并且没有经历过大规模漂白事件。 “我怀疑，”他说，“我们会在世界其他地方和更多物种中听到更多类似的问题。”

可知杂志 是 Annual Reviews 的一项独立新闻工作。