Cyanobacteriën die worden blootgesteld aan kortere dagen, overleven beter in koude omstandigheden. Daaruit blijkt dat zelfs deze eenvoudige organismen zich kunnen voorbereiden op de komst van de winter.
Hoewel cyanobacteriën tot de eenvoudigste levensvormen op aarde behoren, zijn ze in staat om te anticiperen op de wisseling van de seizoenen. Dat doen ze op basis van de hoeveelheid licht waaraan ze worden blootgesteld.
Het is al meer dan een eeuw bekend dat complexe organismen de lengte van de dag gebruiken als een aanwijzing voor toekomstige omgevingsomstandigheden. Zo luiden kortere dagen vaak kouder weer in. Migratie, bloei, winterslaap en seizoensgebonden voortplanting worden allemaal gestuurd door hoeveel licht een organisme registreert. Dit staat bekend als fotoperiodisme. Tot nu toe was dit fenomeen nog niet waargenomen bij eenvoudige levensvormen zoals bacteriën.
Digitale tweelingen van organen brengen medische wetenschap in stroomversnelling
Door een 'digitale kopie' van een orgaan te maken, kunnen artsen deze minutieus bestuderen.
IJskoude temperaturen
Het team van bioloog Luísa Jabbur, destijds verbonden aan de Vanderbilt-universiteit in de Amerikaanse staat Tennessee, stelde de cyanobacterie Synechococcus elongatus kunstmatig bloot aan verschillende daglengtes. Ze ontdekten dat bacteriën die korte dagen hadden doorgemaakt twee tot drie keer beter waren in het overleven van ijskoude temperaturen dan soortgenoten voor wie de dagen langer hadden geduurd. Dit geeft aan dat ze zich hadden voorbereid op winterse omstandigheden. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in wetenschapsblad Science.
Door kortere en langere periodes te testen, konden de onderzoekers vaststellen dat het vier tot zes dagen duurt voordat deze reactie optreedt. De organismen brengen om de paar uur een nieuwe generatie voort. Dat betekent dat de cellen informatie over de daglengte moeten doorgeven aan hun nakomelingen. De onderzoekers begrijpen nog niet hoe ze dit doen.
Beeld: Raul Gonzalez and Cheryl Kerfeld/CC BY-SA 3.0.
Cyanobacteriën, die energie uit zonlicht opvangen door middel van fotosynthese, bestaan al meer dan 2 miljard jaar en zijn bijna overal op aarde te vinden. ‘Het feit dat een organisme dat zo oud en eenvoudig is als een cyanobacterie fotoperiodieke reacties vertoont, suggereert dat dit fenomeen veel eerder in de loop van de evolutie is ontstaan dan gedacht’, zegt Jabbur, die nu werkzaam is in het John Innes-centrum, een wetenschappelijk instituut in de Britse plaats Colney.
Circadiaan ritme
Het team onderzocht ook wat er in de genen veranderde in reactie op de variërende daglengte. Het lijkt erop dat fotoperiodisme is ontstaan als een genetisch voortborduursel op mechanismen die acute stressoren zoals fel licht en extreme temperaturen bestrijden.
De bevindingen hebben ook gevolgen voor ons begrip van de evolutie van circadiane ritmes, de biologische klokken die dag-nachtcycli regelen, zegt bioloog Carl Johnson van de Vanderbilt-universiteit, eveneens lid van het onderzoeksteam. ‘We gingen er tot nu toe van uit dat innerlijke klokken zijn ontstaan voordat organismen de lengte van dag en nacht konden meten en konden anticiperen op de veranderende seizoenen’, zegt hij. ‘Maar nu blijkt dat fotoperiodisme al in zulke oude en eenvoudige organismen voorkomt, en genetische analyse aantoont dat de betrokken stressresponsroutes al heel vroeg in de evolutie ontstonden, moeten we misschien concluderen dat fotoperiodisme eerder is geëvolueerd dan circadiane klokken.’
