以下文章经The Conversation许可转载，这是一个报道最新研究的在线出版物。
每年冬天，美国各地的地方政府都会施用数百万吨道路盐，以保持街道在冰雪天气中的通行能力。融雪径流将道路盐带入溪流和湖泊，导致许多水体的盐度异常高。
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在伦斯勒理工学院，我的同事Rick Relyea和他的实验室正在努力量化盐度增加如何影响生态系统。毫不奇怪，他们发现高盐度对许多物种有负面影响。他们还发现，一些物种有能力应对这些盐度增加。
但这种能力是有代价的。在最近的一项研究中，我和里克分析了一种常见的浮游动物——水蚤蚤——如何适应不断增加的道路盐含量。我们发现，这种暴露影响了一种重要的生物节律：昼夜节律钟，它可能控制着水蚤的摄食和躲避捕食行为。由于许多鱼类以水蚤为食，这种影响可能会波及整个生态系统。我们的工作也引发了关于盐或其他环境污染物是否可能对人类昼夜节律钟产生类似影响的问题。
每日生物节律和昼夜节律钟
在研究道路盐如何影响水生生态系统时，Relyea 实验室表明，水蚤蚤可以在短短两个半月内适应以应对中等程度的暴露。这些浓度范围从每升水 15 毫克氯化物（盐的组成部分）到每升 1,000 毫克——这是北美高度污染的湖泊中发现的水平。
然而，生物体适应环境中某种事物的能力也可能伴随着负面的权衡。我的实验室与里克的合作始于努力识别盐适应性水蚤中的这些权衡。
在我的实验室中，我们研究我们的昼夜节律如何让我们能够跟踪时间。我们调查细胞中的分子如何协同工作，像时钟一样滴答作响。这些昼夜节律使生物体能够预测环境中 24 小时的振荡，例如从光明（白天）到黑暗（夜间）的变化，并且对生物体的适应性至关重要。
里克和我假设，适应高盐度可能会扰乱水蚤的昼夜节律，这是基于最近的证据表明，其他环境污染物会扰乱昼夜行为。水蚤中可能受昼夜节律钟控制的一种重要行为是昼夜垂直迁移——地球上最大的每日生物量迁移，发生在海洋、海湾和湖泊中。浮游生物和鱼类在白天迁移到更深的水域以躲避捕食者和阳光伤害，并在夜间返回水面觅食。
鉴于我们对昼夜节律功能的了解，可以合乎逻辑地假设暴露于污染不会影响生物体的昼夜节律。虽然昼夜节律钟可以整合环境信息来告知一天中的时间，但它们在很大程度上缓冲了大多数环境影响。
为了理解这种缓冲的重要性，请想象一下，生物体日长的计时对环境温度做出反应。热量加速分子反应，因此在炎热的日子里，生物体的 24 小时节律可能会变成 20 小时，而在寒冷的日子里可能会变成 28 小时。本质上，生物体将拥有一个温度计，而不是一个时钟。
适应污染会影响关键的昼夜节律基因
为了确定时钟紊乱是否是对污染物适应的权衡，我们首先必须确定水蚤是否受昼夜节律钟控制。为此，我们在水蚤中鉴定出与两种基因相似的基因，这两种基因在作为昼夜节律模型系统的生物体中被称为period和clock：果蝇，即常见的果蝇。
我们跟踪了水蚤中period和clock的水平，使生物体处于持续黑暗中，以确保光刺激不会影响这些水平。我们的数据显示，period和clock的水平随时间以 24 小时节律变化——这清楚地表明水蚤具有功能性的昼夜节律钟。
我们还跟踪了已适应盐度增加的水蚤种群中的相同基因。令我非常惊讶的是，我们发现period和clock水平的每日变化直接随着水蚤适应的盐度水平而恶化。换句话说，随着水蚤适应更高的盐度水平，它们在一天中period和clock水平的变化较小。这表明水蚤的时钟确实受到污染物暴露的影响。
我们目前尚不了解造成这种影响的原因，但盐度水平与period和clock水平变化减少之间的关系提供了一个线索。我们知道，暴露于污染物会导致水蚤经历表观遗传调控——影响其基因功能的化学变化，而不会改变其 DNA。表观遗传变化通常表现出逐渐的反应，随着因果因素的增加而变得更加明显。因此，很可能是高盐度通过水蚤中的这些表观遗传机制诱导化学变化，以抑制其昼夜节律钟的功能。
昼夜节律钟紊乱的广泛影响
我们知道，环境条件会影响时钟在许多物种中调节的内容。例如，改变真菌粗糙脉孢菌生长的糖会改变时钟调节的行为。但据我们所知，这项研究是第一个表明生物体核心时钟的基因可能直接受到适应环境污染物的影响的研究。我们的发现表明，正如机械钟的齿轮会随着时间的推移而生锈一样，昼夜节律钟也可能受到环境暴露的永久性影响。
这项研究具有重要的意义。首先，如果水蚤的昼夜节律钟调节其参与昼夜垂直迁移，那么扰乱时钟可能意味着水蚤不会在水柱中迁移。水蚤是藻类的主要消费者，也是许多鱼类的食物来源，因此扰乱它们的昼夜节律可能会影响整个生态系统。
其次，我们的研究结果表明，环境污染可能对人类产生比以前理解的更广泛的影响。水蚤时钟中的基因和过程与调节人类时钟的基因和过程非常相似。我们的昼夜节律控制着产生细胞振荡的基因，这些振荡影响细胞功能、分裂和生长，以及生理参数，如体温和免疫反应。
当人类的这些节律被扰乱时，我们看到癌症、糖尿病、肥胖症、心脏病、抑郁症和许多其他疾病的发病率增加。我们的工作表明，暴露于环境污染物可能会抑制人类时钟的功能，这可能导致疾病发病率增加。
我们正在继续我们的工作，研究水蚤时钟的紊乱如何影响其参与昼夜垂直迁移。我们也在努力确定这些变化的根本原因，以确定这是否以及如何在人脑中发生。我们在水蚤中发现的影响表明，即使是像盐这样简单的物质也可能对生物体产生极其复杂的影响。
本文最初发表于The Conversation。阅读原始文章。