L'influenza della luce sul comportamento degli animali
Questo articolo parla di come la luce influisce sui modelli di attività quotidiana degli animali, in particolare delle mosche della frutta.
― 6 leggere min
Indice
Gli animali si sono evoluti nel corso degli anni, adattandosi ai cambiamenti nel loro ambiente. Un cambiamento significativo è la luce. Gli animali rispondono alla luce in vari modi e gli scienziati sono interessati a capire come funzionano queste risposte. Questo articolo esplora come le condizioni di luce, in particolare la luce soffusa, influenzano i modelli di attività quotidiana degli animali, concentrandosi principalmente sulle mosche della frutta.
L'importanza dei ritmi giornalieri
La maggior parte delle creature vive segue un ritmo quotidiano, spesso chiamato ritmo circadiano. Questo ritmo aiuta gli animali a sapere quando mangiare, dormire e essere attivi. È influenzato dai cicli di luce e buio nel loro ambiente. Man mano che il sole sorge e tramonta, gli animali aggiustano le loro attività di conseguenza. Questa adattamento è cruciale per la sopravvivenza, poiché li aiuta a trovare cibo ed evitare pericoli.
Orologi circadiani
Quasi tutti gli animali hanno un cronometro interno chiamato orologio circadiano. Questo meccanismo interno aiuta a sincronizzare i loro processi biologici con l'ambiente esterno. Questi orologi possono adattarsi ai cambiamenti nei cicli di giorno e notte. Tuttavia, il modo in cui questi orologi funzionano può variare tra le specie. Alcuni animali potrebbero essere strettamente notturni (attivi di notte), mentre altri sono diurni (attivi durante il giorno).
L'effetto dei cambiamenti ambientali
I cambiamenti nell'ambiente, come i modelli di luce che cambiano a causa delle stagioni o delle attività umane, possono influenzare questi Ritmi Circadiani. Ad esempio, i lavoratori notturni possono avere difficoltà ad adattare i loro orologi biologici a un nuovo programma. Questa sfida può portare a quello che è noto come jet lag quando si viaggia attraverso fusi orari.
Plasticità dei ritmi circadiani
La capacità dell'orologio circadiano di adattarsi a nuove condizioni è chiamata plasticità. Significa che mentre l'orologio è stabile e affidabile, può anche adattarsi quando necessario. Gli scienziati hanno studiato questa plasticità per comprendere come gli animali possano mantenere modelli di attività regolari anche di fronte a situazioni insolite, come cambiamenti improvvisi nell'esposizione alla luce.
Luce e modelli di attività nei roditori
Studi sui roditori hanno mostrato che certe condizioni di luce possono portare a cambiamenti nei loro modelli di attività. Quando esposti a luci alternate forti e deboli, i roditori spesso spostano la loro attività verso i periodi di luce soffusa. Questo fenomeno è chiamato Biforcazione, dove la loro attività si concentra in fasi di luce specifiche.
Mosche della frutta come organismo modello
Le mosche della frutta sono spesso usate nella ricerca scientifica per la loro semplicità e facilità di manipolazione. Hanno un sistema di ritmo circadiano simile e possono essere studiate per acquisire informazioni su come la luce influenza il comportamento. Gli scienziati possono alterare la loro esposizione alla luce e osservare i cambiamenti nei modelli di attività.
Ricerca sulle mosche della frutta
In uno studio recente, le mosche della frutta sono state esposte a diverse condizioni di luce, comprese fasi alternate di luci brillanti e soffuse. L'obiettivo era vedere se questi cambiamenti di luce avrebbero portato anch'essi a una biforcazione nei loro modelli di attività, simile a quelle osservate nei roditori.
Impostazione sperimentale
Le mosche sono state posizionate in un ambiente controllato dove la loro attività poteva essere monitorata. Inizialmente, sono state mantenute su un programma di luce regolare di 12 ore di luce e 12 ore di buio. Dopo diversi giorni, il programma di luce è stato cambiato in un modello di luce brillante e luce soffusa alternate.
Osservazioni dei modelli di attività
Sotto le nuove condizioni di luce, i ricercatori hanno osservato che le mosche della frutta iniziavano a mostrare un modello in cui la loro attività principale era concentrata durante le fasi di luce soffusa. Questo spostamento indica che, proprio come i roditori, anche le mosche della frutta possono adattare la loro attività a condizioni di luce specifiche.
Il ruolo della luce soffusa
Una delle scoperte chiave dello studio è stata che l'illuminazione scotopica debole (intensità di luce molto bassa) era essenziale affinché si verificasse questa biforcazione. Quando la luce era troppo brillante, le mosche non mostravano lo stesso modello di attività. Questa scoperta suggerisce che l'intensità e la durata dell'esposizione alla luce possono influenzare significativamente il loro comportamento.
Fattori che influenzano i modelli di attività
Diversi fattori possono influenzare come le mosche rispondono alle condizioni di luce. I ricercatori hanno esplorato gli effetti di diverse durate e intensità della luce sulla loro attività. I risultati hanno mostrato che ci sono periodi critici durante i quali le mosche devono essere esposte a luce soffusa affinché si verifichi la biforcazione.
Importanza dei Fotorecettori circadiani
Le mosche della frutta hanno cellule specifiche nei loro cervelli che rilevano la luce, conosciute come fotorecettori. Uno dei fotorecettori importanti è il CRYPTOCHROME, che è sensibile a livelli di luce più bassi. Questo recettore gioca un ruolo cruciale nell'aiutare le mosche della frutta a rilevare la luce soffusa, contribuendo ai loro cambiamenti comportamentali.
Genetica degli orologi e regolazione dell'attività
Oltre ai recettori della luce, alcuni geni nel l'orologio circadiano delle mosche sono importanti per regolare i loro modelli di attività. I ricercatori hanno scoperto che mutazioni in questi geni orologi potrebbero alterare il modo in cui le mosche rispondono a diverse condizioni di luce, influenzando il tempismo e la quantità della loro attività.
L'influenza dei gruppi neurali
Il sistema circadiano delle mosche è composto da vari gruppi di neuroni che lavorano insieme per regolare la loro attività. Questi neuroni possono essere classificati in cellule mattutine e serali. Nello studio recente, i ricercatori hanno scoperto che, sotto condizioni di luce soffusa, i neuroni serali avevano un ruolo significativo nel controllare il tempismo dei modelli di attività.
Implicazioni per comprendere il comportamento
Studiare come la luce influenza il comportamento delle mosche della frutta non solo ci aiuta a capire queste piccole creature, ma potrebbe anche fornire informazioni su questioni più grandi su come gli animali, compresi gli esseri umani, si adattano a ambienti in cambiamento. Questa conoscenza può essere utile per affrontare problemi legati ai disturbi del sonno, al lavoro su turni e agli effetti dell'illuminazione artificiale.
La necessità di ulteriori ricerche
Anche se i risultati iniziali sono promettenti, sono necessarie ulteriori ricerche per esplorare le implicazioni complete di queste adattamenti. Gli scienziati devono indagare come diverse specie potrebbero reagire ai cambiamenti nell'esposizione alla luce e come questi cambiamenti possano influenzare le loro vite.
Conclusione
In sintesi, la luce gioca un ruolo cruciale nel plasmare i modelli di attività degli animali. Gli studi sulle mosche della frutta mostrano che possono adattare il loro comportamento in base a condizioni di luce variabili, proprio come i roditori. Questa adattabilità evidenzia l'importanza di comprendere i ritmi circadiani e come i fattori ambientali li influenzano. Continuando a esplorare queste dinamiche, i ricercatori possono scoprire di più sulla complessa relazione tra luce e comportamento nel regno animale.
Titolo: Reorganisation of circadian activity and the pacemaker circuit under novel light regimes
Estratto: Many environmental features are cyclic, with predictable daily and yearly changes which vary across latitudes. Organisms cope with such change using internal timekeepers or circadian clocks which have evolved remarkable flexibility. This flexibility is evident in the waveforms of behavioural and underlying molecular rhythms. In todays world, many ecosystems experience artificial light at night, leading to unusual photoperiodic conditions. Additionally, occupational demands expose many humans to unconventional light cycles. Yet, practical means of manipulating activity waveforms for beneficial purposes are lacking. This requires an understanding of principles and factors governing waveform plasticity of activity rhythms. Even though waveform plasticity remains underexplored, few recent studies have used novel light regimes, inspired by shift work schedules, with alternating bright light and dim light (LDimLDim) to manipulate the activity waveform of nocturnal rodents. We undertook this study to understand what aspects of light regimes contribute to waveform flexibility and how the underlying neuronal circuitry regulates the behaviour by subjecting Drosophila melanogaster to novel light regimes. Using a range of LDimLDim regimes, we found that dim scotopic illumination of specific durations induces activity bifurcation in fruit flies, similar to mammals. Thus, we suggest evolutionarily conserved effects of features of the light regime on waveform plasticity. Further, we demonstrate that the circadian photoreceptor CRYPTOCHROME is necessary for activity bifurcation. We also find evidence for circadian reorganisation of the pacemaker circuit wherein the evening neurons regulate the timing of both bouts of activity under novel light regimes. Thus, such light regimes can be explored further to understand the dynamics and coupling within the circadian circuit. The conserved effects of specific features of the light regime open up the possibility of designing other regimes to test their physiological impact and leverage them for waveform manipulation to minimise the ill effects of unusual light regimes. Author SummaryIt is thought that the appropriate timing of physiological and behavioural rhythms of organisms with respect to the environmental cycle confers an adaptive advantage. Endogenous timekeepers or circadian clocks regulate such rhythms. To optimally time biological rhythms, its waveform must be plastic and respond to changes in external cycles. Changes in external cycles may be natural, as seen across latitudes or seasons, or anthropogenic, such as artificial light induced changes in photoperiod or shiftwork driven novel light/dark cycles. Previous studies using a nocturnal rodent model showed that novel light regimes (LDimLDim) caused locomotor activity to bifurcate such that mice showed two bouts of activity restricted to the dimly lit phases. Here, we first demonstrate that conserved features of the light regime - dim scotopic illumination of specific light durations induce activity bifurcation in the fly model. We leverage the genetic toolkit of the Drosophila model to also show evidence for the reorganisation of the circadian pacemaker neuronal network upon exposure to novel light regimes. Our findings indicate that conserved effects of specific features of the environmental regimes can be exploited to design light regimes that ease the waveform into synchronising with challenging conditions such as during shift work, jetlag, and photoperiodic changes.
Autori: Vasu Sheeba, P. Sharma
Ultimo aggiornamento: 2024-05-08 00:00:00
Lingua: English
URL di origine: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.05.07.592876
Fonte PDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.05.07.592876.full.pdf
Licenza: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Modifiche: Questa sintesi è stata creata con l'assistenza di AI e potrebbe presentare delle imprecisioni. Per informazioni accurate, consultare i documenti originali collegati qui.
Si ringrazia biorxiv per l'utilizzo della sua interoperabilità ad accesso aperto.