Пауки и скорпионы получили колени  благодаря дополнительной копии гена, контролирующего длину ног у членистоногих.

Странный факт, известный, наверно, только специалистам – у пауков, в отличие от насекомых и ракообразных, есть колени. На паучьих ногах, между сегментом, соответствующим бедру, и сегментом, соответствующим голени, есть дополнительный сегмент, который так и называется – patella, или коленная чашечка. Колени улучшают подвижность ног, и пауки в полной мере воспользовались этой анатомической новацией: они прекрасно передвигаются по самым разным поверхностям, и многие из них довольно быстро. Но откуда у паукообразных могли взяться коленные чашечки? Ведь у других членистоногих, повторим, ничего такого нет.

Благодаря коленям пауки лучше бегают. (Фото Dave King / Dorling Kindersley Ltd. / Corbis.)

Ответ тут неожиданно нашли исследователи из Гёттингенского университета. Неожиданно же потому, что Наташа Турецек (Natascha Turetzek) и её коллеги интересовались совсем другим – они хотели выяснить, почему у одних пауков ноги получаются длиннее, чем у других. Сначала думали, что всё дело в так называемом гене Dachshund (в переводе – «такса») – от него зависит длина конечностей у членистоногих, и если у дрозофилы, например, его выключить, то ноги у мухи будут короткими.

Однако у пауков с разной длиной ног никаких отличий в активности Dachshund не было. Но одновременно авторам работы удалось найти копию того же гена, которую в геноме паукообразных до сих пор никто не видел. Это обычная эволюционная история: какой-то ген удваивается, и, пока один экземпляр делает то, что и всегда делал, второй становится полигоном для эволюционных инноваций – в нём накапливаются мутационные изменения, которые могут довольно сильно изменить его функции. Никакой проблемы в том, что он вообще может сломаться, нет, ведь у организма есть ещё одна (а то и не одна) рабочая копия.

Дальнейшие эксперименты показали, что второй Dachshund у пауков включается во время эмбрионального развития в том участке конечностей, где формируется сегмент коленных чашечек. Если же ген выключали, коленный сегмент оставался сращенным с берцовым сегментом, и полноценного коленного членика не формировалось. Результаты исследования опубликованы в Molecular Biology and Evolution.

Пример с паучьими коленями в который раз подтверждает известную теорию, что вовсе не обязательно какие-то особенности строения организма появляются благодаря абсолютно новым генам, возникшим «с нуля». Как было сказано выше, обычно берётся какой-то уже существующий ген, копируется, и вот с копией происходят всевозможные эволюционные приключения, которые могут привести к весьма полезным признакам.

Преимущества коленного сегмента были заметны в тех же опытах: молодые пауки, у которых из-за генетических манипуляций коленей не было, были менее подвижными и легко становились добычей своих более шустрых собратьев. С другой стороны, вторая копия Dachshund есть у пауков, скорпионов, но не у клещей, хотя колени есть и у клещей тоже. Что подтверждает уже другое эволюционное правило, согласно которому эволюция одного и того же результата может добиваться разными путями.

Устойчивые индивидуальные особенности поведения присущи не только отдельным муравьям, но и всему муравейнику.

Когда мы говорим, что у пауков или тараканов есть признаки личности, то имеем в виду, что в их поведении есть некие постоянные черты: например, в одних и тех же обстоятельствах один таракан может быть смелым и даже агрессивным, а другой будет убегать и прятаться. До недавнего времени считалось, что индивидуальные психологические особенности есть только у человека, в крайнем случае, у приматов. Но в последнее время в зоопсихологии появилось достаточно много работ, которые убеждают нас в том, что личностные поведенческие признаки можно обнаружить у самых разных животных, от синиц и осьминогов до членистоногих.

Муравей Aphaenogaster senilis. (Фото Tim Keppens / Flickr.com.)

‹›

Рафаэль Буле (Raphael Boulay) из Университета Франсуа Рабле в Туре вместе с коллегами из Испанского национального научно-исследовательского совета решил выяснить, можно ли найти индивидуальные особенности поведения у муравьёв. Зоологи перенесли королев из 27 колоний вида Aphaenogaster senilis в лабораторию и подождали, пока они наплодят новых рабочих, чтобы поставить эксперимент с молодым и неопытным поколением насекомых. За поведением муравьёв тщательно следили, оценивая, как они ищут добычу, открывают новые места и прячутся в случае опасности – так можно было понять, кто смелый и готов отправиться на неизвестную территорию, кто слишком осторожен, и кто больше всех заботится о пропитании. Температуру окружающей среды время от времени искусственно повышали с 26°С до 60°С – если муравей выходил из муравейника при температуре выше 46°С (то есть при неблагоприятных, опасных условиях), значит, он был достаточно рисковым по характеру.

Оказалось, как пишут авторы работы в Behavioral Ecology, что не только отдельные особи могут вести себя по-разному, но и целые колонии – иными словами, индивидуальные психологические особенности присущи всему муравьиному «городу». Например, в одном муравейнике могут жить отважные первооткрыватели и добытчики, тогда как в другом особи более осторожные, не слишком стремятся разведывать новые угодья и при неблагоприятных условиях предпочитают не испытывать судьбу, оставаясь в убежище. Причём коллективно-личностные черты оставались постоянными: через 11 недель, когда насекомых снова протестировали на смелость и трусость, колонии вели себя так же, как и раньше.

Если представители разных колоний получали в общее распоряжение одну и ту же территорию, на которой собирали еду, то преимущество оставалось за более смелыми и агрессивными. Однако в естественных условиях за любовь к риску, понятно, приходится платить – те, кто ничего не боится, чаще и погибают. Так что у каждой поведенческой стратегии есть свои плюсы и свои минусы. А вот как муравьи получают выгоду от собственной смелости или осторожности, зоологам ещё предстоит узнать. Для этого надо будет сравнить репродуктивные успехи тех и других, а также умение противостоять чужакам-конкурентам.

Другой вопрос – как такие личностные особенности получают развитие в рамках целой колонии. В 2014 году похожее исследование провели с муравьями Temnothorax rugatulus, чей ареал тянется от севера Мексики до Канады. Тогда оказалось, что «северяне» более агрессивны, чем «южане», и сам собой напрашивался вывод, что решающую роль тут играют экологические условия. Однако сейчас эксперимент ставили в лаборатории, где новые рабочие изо всех колоний жили в одних и тех же условиях. Как бы то ни было, очевидно, что новые данные добавляют нечто новое в наше представление о муравейнике как суперорганизме, у которого можно найти пусть и небольшие, но всё-таки зачатки личности.

Рис. 1. Срез одного из двух полушарий мозга зародыша мыши на 12-й с половиной день эмбрионального развития. Желтым выделен ганглиозный бугорок. LGE — латеральная (боковая) часть ганглиозного бугорка (GE), MGE — медиальная (срединная) часть его же, VZ — вентрикулярная зона. Стрелками указано направление миграции нейронов. Изображение с сайта ru.wikipedia.org, с изменениями

В ходе эмбрионального развития новообразованные нейроны в головном мозге расселяются по разным его участкам. Чтобы узнать, как развитие мозга у зародыша влияет на работу этого органа в будущем, надо понять, есть ли в этом расселении какая-то закономерность. Говорить про все нейроны сразу очень сложно, а вот про ГАМК-интернейроны недавно выяснилось, что их конечное расположение в коре больших полушарий не зависит от местонахождения их ближайших родственников. Это значит, что для расселения нейронов по головному мозгу важнее влияние окружающих клеток, чем их происхождение.

Если мы хотим понять, как формируются интеллект, память и сознание, мы должны знать, как складываются судьбы их «носителей» — нейронов и по каким законам эти клетки работают. В идеале, хорошо бы отследить эмбриональное происхождение и связи каждого нейрона в нервной системе, но пока это возможно сделать только для одного существа — круглого червяCaenorhabditis elegans, у которого в нервной системе всего-то 302 клетки. Для более сложных существ приходится группировать нейроны мозга по различным признакам и находить какие-то закономерности развития и функционирования, характерные для группы в целом.

Одна из таких групп — ГАМК-эргические (то есть выделяющие в качественейромедиатора гамма-аминомасляную кислоту, ГАМК) интернейроны(промежуточное звено в цепочке передачи нервного импульса) переднего мозга. К переднему мозгу относится кора больших полушарий, гиппокамп, базальные ганглии, таламус, гипоталамус (все эти структуры парные), а также гипофиз и эпифиз.

ГАМК — тормозный медиатор, то есть его действие останавливает передачу сигнала от клетки к клетке. Это нужно, чтобы предотвратить возбуждение нейронов, которое возникло не вовремя или оказалось слишком сильным. На ГАМК-эргических интернейронах лежит, по сути, руководство всеми электрическими импульсами переднего мозга. Эти клетки «решают», какой сигнал пройдет, какой нет, какой он будет силы. За счёт разветвлённой сети отростков они в некоторой степени даже определяют, куда этот сигнал поступит. Если по каким-то причинам торможение, обусловленное ГАМК, нарушено, это может проявиться в мышечных судорогах (эпилепсия), повышенном тонусе мышц (церебральный паралич) или неконтролируемых движениях (хорея Гентингтона, синдром Туретта).

У млекопитающих ГАМК-интернейроны в процессе эмбрионального развития появляются из медиальных ганглиозных бугорков (MGE), расположенных вплотную к желудочкам мозга (рис. 1) (это парное образование, но для простоты дальше оно будет упоминаться в единственном числе). Эта структура есть только у зародышей, у взрослых животных ее не выделяют. В медиальном ганглиозном бугорке находятся предшественники ГАМК-нейронов. Они делятся, и получившиеся клетки мигрируют в будущую кору больших полушарий — и не только в нее, но и в другие области переднего мозга. Куда еще они расселяются, в каком порядке и в каких количествах, как раз и предстояло выяснить (рис. 2). Почему эта информация важна? Если окажется, что нейроны-потомки одной клетки-предшественницы мигрируют в мозге в одну и ту же область, то, вероятно, они будут обрабатывать одни и те же сигналы. То есть по месту образования ГАМК-интернейрона в медильном ганглиозном бугорке зародыша можно будет предугадать функцию этого нейрона у взрослого организма. Если такой закономерности нет, предсказывать судьбу ГАМК-интернейронов в зрелом мозге будет значительно сложнее.

Рис. 2. Общая схема эксперимента. Слева оранжевым выделен медиальный ганглиозный бугорок — источник ГАМК-интернейронов. Справа показаны гипотетические срезы мозга взрослого животного, иллюстрирующие два возможных варианта миграции ГАМК-эргических клеток — независимо друг от друга или группами. Изображение из обсуждаемой статьи в Neuron

Два предыдущих исследования (K. Brown et al., 2011. Clonal Production and Organization of Inhibitory Interneurons in the Neocortex и G. Ciceri et al., 2013.Lineage-specific laminar organization of cortical GABAergic interneurons) показали, что тормозные интернейроны распространяются в определенном порядке: клетки-клоны оказываются либо друг над другом в соседних слоях коры больших полушарий, либо в одном слое, но в пределах функциональнойколонки коры — небольшой группы клеток, занимающихся общей небольшой задачей.

Однако группа ученых из США и Австрии решила перепроверить эти результаты, посчитав эксперименты своих коллег недостаточно точными. Дело в том, что авторы двух предыдущих работ, чтобы отследить перемещения новообразованных нейронов, метили их ретровирусами, несущими ген зеленого флуоресцентного белка. Такой подход предполагает, что клетки с одинаковой флуоресцентной меткой, расположенные далеко друг от друга, произошли от разных предшественников. Однако это всего лишь допущение, а не аксиома.

Чтобы точно узнать, «видятся» ли друг с другом клональные братья и сестры, ученые применили метод ДНК-штрихкодирования (DNA barcoding). Но если ДНК-штрихкоды, которые которые используются для систематики видов (см.ДНК-штрихкодирование — штангенциркуль биологической систематики), изначально присутствуют в клетках организма, то ДНК-штрихкоды для отслеживания ГАМК-интернейронов исследователи привносили извне, вводя путем микроинъекций в желудочки мозга зародышей мышей модифицированный вирус саркомы и лейкемии птиц подтипа А (рис. 3). Вирус содержал в себе «штрихкоды» — небольшие кусочки ДНК, по которым впоследствии можно было распознать конкретный нейрон. Помимо этого, каждый вирус нес в себе ген GFP, чтобы по экспрессии этого белка ученым позже удалось увидеть и выделить нужную клетку. Каждому зародышу вводили вирусы с самыми разнообразными штрихкодами. Это разнообразие было настолько велико, что практически каждый предшественник интернейронов получал уникальную метку. Таким образом, все его потомки имели одинаковые ДНК-штрихкоды.

Рис. 3. Операция по внедрению в медиальные ганглиозные бугорки зародышей ДНК-штрихкодов. E10.5–E12.5 — номера дней эмбрионального развития, когда проводится операция по внедрению вирусных векторов. Живой беременной самке мыши делают надрез в брюшной полости и через него тонкой иглой каждому зародышу в желудочки мозга вводят раствор с вирусами. Справа — мозг молодой мыши, которая развилась из прооперированного эмбриона, и места проведения срезов, из которых впоследствии формируется трёхмерное изображение (см. рис. 4). Изображение из обсуждаемой статьи в Neuron

Процедуру проводили на десятый с половиной — двенадцатый с половиной день эмбрионального развития, так как именно в это время процесс образования ГАМК-интернейронов идет особенно интенсивно. На шестнадцатый день после рождения, когда миграция интернейронов завершается, мышатами приходилось жертвовать. Из их мозга делали серии срезов, а из каждого среза путем лазерной захватывающей микродиссекциивырезали только те группы клеток, в которых присутствовал зеленый флуоресцентный белок. Наличие GFP проверяли с помощью флуоресцентной микроскопии.

Таким образом, расположение ГАМК-интернейронов проверяли в два этапа. На первом этапе флуоресценция GFP позволяла выявить, в каких участках мозга оказываются клетки, происходящие из медиального ганглиозного бугорка (рис. 4).

Рис. 4. Трёхмерное изображение мозга мыши, полученное из серии срезов (вид спереди и сбоку). Зелёным обозначены места обнаружения ГАМК-эргических интернейронов, меченных ДНК-штрихкодами и зеленым флуоресцентным белком. Изображение из обсуждаемой статьи в Neuron

На втором этапе, после вырезания этих клеток, из каждой выделяли фрагменты ее ДНК, содержащие в том числе ее штрихкод (рис. 5). C помощью ПЦР(полимеразной цепной реакции) число таких фрагментов многократно увеличивали, а потом вводили их в составе плазмид в бактерии. Размножаясь, бактерии снова повышали число копий этих фрагментов ДНК, после чего биологи уже могли с ними работать и оценивать число нейронов, в которых содержался тот или иной штрихкод.

Рис. 5. Лазерная захватывающая микродиссекция (LCM) участков нервной ткани, содержащих меченые клетки, дальнейшая ПЦР и увеличение числа копий ДНК-штрихкодов в составе ДНК бактерий (показаны справа в чашке Петри). В каждой чашке высажены бактерии, получившие ДНК-штрихкоды только из одного среза мозга. Изображение из обсуждаемой статьи в Neuron

Результаты получились неожиданные. Во-первых, ГАМК-интернейроны, образующиеся в медиальном ганглиозном бугорке, в своем расселении в пределах одного полушария не ограничены, по сути, ничем. Большинство из них (41–81%) оказывались в коре больших полушарий, но в то же время немалый их процент находили и в подкорковых структурах — гиппокампе (1–13%) и стриатуме (3–9%). Некоторое количество меченых ГАМК-интернейронов «осели» в обонятельной луковице, амигдале и гипоталамусе. Во-вторых, клетки-клоны далеко не всегда оказывались друг рядом с другом. В клеточном масштабе «рядом» — это в пределах 400 микрон, а судя по результатам исследования, близкородственные ГАМК-интернейроны были расположены в среднем на расстоянии 1400–1800 микрон (1,4–1,8 мм) друг от друга. Более того, клоны часто попадали в совершенно разные структуры мозга. Например, клетки одного клона можно было обнаружить в коре, гиппокампе и стриатуме.

Так по какому же правилу тогда распространяются новообразованные ГАМК-интернейроны? Пока сложно сказать. Возможно, главный фактор, влияющий на путь их расселения, — их окружение. Тормозный интернейрон, попадая, скажем, в гиппокамп, получает сигналы от соседних клеток и включается в совершенно иную цепочку передачи нервных импульсов, нежели его «брат», оказавшийся в коре того же полушария. Это показывает, что не только работа зрелого мозга, но и его формирование весьма пластично и во многом зависит не от генотипа, а от условий окружения.

Самолет авиакомпании Air India вернулся в аэропорт, когда пассажиры сообщили, что заметили на борту крысу, передает Associated Press.

Инцидент произошел после того, как самолет вылетел из Мумбаи в Лондон. В результате крыса на борту найдена не была. Тем не менее, авиакомпания приняла решение обработать лайнер от грызунов. Пассажиров, тем временем, отправили в Лондон другими рейсами.

Сообщается, что за день до этого с самолетами Air India произошло еще два инцидента. На севере Индии вылет лайнера был задержан из-за бродячей собаки, выбежавшей на взлетную полосу. А в Ньюарке (США) в самолет Air India врезался грузовик.