Entrainment of circadian rhythms to irregular light/dark cycles: a subterranean perspective

Abstract

Synchronization of biological rhythms to the 24-hour day/night has long been studied with model organisms, under artificial light/dark cycles in the laboratory. The commonly used rectangular light/dark cycles, comprising hours of continuous light and darkness, may not be representative of the natural light exposure for most species, including humans. Subterranean rodents live in dark underground tunnels and offer a unique opportunity to investigate extreme mechanisms of photic entrainment in the wild. Here, we show automated field recordings of the daily light exposure patterns in a South American subterranean rodent, the tuco-tuco (Ctenomys aff. knighti ). In the laboratory, we exposed tuco-tucos to a simplified version of this natural light exposure pattern, to determine the minimum light timing information that is necessary for synchronization. As predicted from our previous studies using mathematical modeling, the activity rhythm of tuco-tucos synchronized to this mostly simplified light/dark regimen consisting of a single light pulse per day, occurring at randomly scattered times within a day length interval. Our integrated semi-natural, lab and computer simulation findings indicate that photic entrainment of circadian oscillators is robust, even in face of artificially reduced exposure and increased phase instability of the synchronizing stimuli.

Sazonalidade dos padrões diários de atividade de superfí­cie em um roedor subterrâneo, o tuco-tuco

“…Investigações de organismos que vivem em ambientes fóticos extremos fornecem oportunidades para se explorar os aspectos evolutivos e mecanísticos da ritmicidade circadiana (Beale et al, 2016;Flôres et al, 2016). Especificamente em relação ao ambiente subterrâneo, além da ausência de luz, os animais também estão sujeitos à alta umidade, temperaturas relativamente constantes, fluxo de ar reduzido e, consequentemente, baixas concentrações de oxigênio e altas concentrações de dióxido de carbono, em comparação à superfície (Lacey et al, 2000).…”

“…Há indícios de que o horário de maior frequência das saídas varia sazonalmente, sendo que, no verão, as saídas se concentram nos crepúsculos e, no inverno, ocorrem com maior frequência no meio do dia. Recentemente, sensores de luz (luxímetros) miniaturizados (Migrate Technology, UK) começaram a ser utilizados pelo nosso grupo, para automatizar o registro temporal da atividade dos animais na superfície (Flôres et al, 2016). Apesar da curta duração e baixo número amostral, os dados obtidos no verão e no inverno corroboraram os indícios de sazonalidade observados em Tomotani et al (2012).…”

“…Nosso grupo havia realizado tentativas de medir a atividade dos animais em campo por meio de observação visual direta e telemetria (Tomotani et al, 2012). Mais recentemente, passamos a utilizar luxímetros para automatizar o registro da atividade de superfície (Flôres et al, 2016). Nesse trabalho, introduzimos o uso dos acelerômetros, que foram capazes de medir, com êxito, a atividade dos animais na superfície e no subterrâneo.…”

“…, nos quais a variação do alfa ao longo do ano corroborava a existência de mecanismos endógenos responsivos ao fotoperíodo. Sabendo que o ritmo de atividade dos tuco-tucos em laboratório é capaz de se arrastar ao ciclo claro/escuro e até a padrões irregulares de exposição à luz(Flôres et al, 2016), existe a possibilidade de que a sazonalidade observada seja resultante de arrastamento diferenciado do oscilador circadiano ao ciclo claro/escuro de fotoperíodos diferentes em cada época do ano. Como primeiro passo para compreender a variação sazonal da atividade de superfície dos tuco-tucos, esse trabalho se propõe a verificar a relação dessa sazonalidade com as variações ambientais, dando maior ênfase à…”

Ritmos comportamentais em laboratório e efeito agudo da luz em tuco-tuco (Ctenomys aff. knighti), um roedor subterrâneo

“…Atualmente, o gênero Ctenomys, cujos animais são popularmente chamados de tucotucos, é a linhagem de roedores subterrâneos de maior número de espécies, abarcando mais de 50 (Cook & Lessa, 1998 Esses animais vivem em galerias subterrâneas, cujas entradas são mantidas fechadas, exceto quanto saem para remover terra dos túneis e buscar alimentos (Tomotani et al, 2012). Estudos anteriores do grupo constataram que o tuco-tuco é diurno em campo, exibindo atividade de superfície durante o dia (Tomotani et al, 2012), e noturno em laboratório, exibindo um ritmo noturno de corrida em roda (Flôres et al, 2016;Valentinuzzi et al, 2009 (Daan, 2011).…”