Количество заметных событий в мире науки в 2017 году оказалось настолько большим, что мы, даже проведя серьезный отбор, не смогли рассказать о них в рамках одного материала. Поэтому рассказ о самых важных или самых интересных на наш взгляд новостях науки ушедшего года будет разделен на шесть выпусков. Сегодня речь пойдет про биологические новости, однако медицине, палеонтологии и палеоантропологии мы посвятим отдельные разделы, которые будут опубликованы в последующие дни. А затем вас ждут рассказы о новостях археологии и астрономии.
Светящиеся лягушки
Представители вида южноамериканских лягушек Hypsiboas punctatus при дневном освещении имеют неяркую желто-зеленую окраску с красноватыми пятнышками. Но в темноте под ультрафиолетовым освещением они светятся ярким зеленым светом. Хотя лягушки данного вида были описаны зоологами еще в 1799 году, флуоресценцию у них заметили только сейчас.
Способность поглощать свет на коротких волнах и повторно излучать его на более длинных волнах называется флуоресценцией и редко встречается у наземных животных. До сих пор это свойство ни разу не обнаруживали у представителей земноводных.
В отличие от биолюминесценции, когда живые существа сами генерирую свет, флуоресценция требует поглощения световых волн, поэтому она не происходит в полной темноте. Этим свойством обладают некоторые морские беспозвоночные, акулы, рыбы и один вид морских черепах (Eretmochelys imbricata). На суше флуоресценция встречается у некоторых бабочек, скорпионов и попугаев. Исследование лягушки Hypsiboas punctatus показало, что она использует флуоресцентные молекулы, полностью отличные от тех, что найдены у других животных.
Исследователи предполагали, что обнаружат красную флуоресценцию этих лягушек, так как у них имеется пигмент биливердин. Некоторые белки, связанные с этим пигментом, испускают слабое красное свечение. Но, когда зоолог из Университета Буэнос-Айреса Карлос Табоада и его коллеги посветили на лягушек ультрафиолетовой лампой, они с удивлением вместо тусклого красного свечения увидели яркое зеленое.
Фото: Julián Faivovich, Carlos Taboada
Зеленую флуоресценцию обеспечивают три типа молекул (гилоин-L1, гилоин-L2, гилоин-G2), содержащиеся в коже и лимфотической ткани животных. Молекулы содержат кольцевую структуру и цепочку углеводородов и уникальны среди известных флуоресцентных молекул у животных. Ближайшие похожие молекулы находятся в растениях, по словам одного из авторов исследования химика Норберто Лопеса из Университета Сан-Паулу в Бразилии.
Флуоресценция лягушек дает на 18 % больше света ночью, чем полная луна. Поскольку зрение лягушки Hypsiboas punctatus недостаточно изучено, ученые пока не знают, способны ли они видеть собственное свечение. Выяснением этого вопроса намерен заняться Карлос Табоада. Другой автор работы Джулиан Файвович будет искать флуоресценцию у других видов древесных лягушек южноамериканских лесов.
Оптогенетика: хищные мыши и смелые мыши
Использовав оптогенетику, позволяющую активировать определенные клетки мозга лазерными импульсами, ученые заставили лабораторных мышей проявлять несвойственное им ранее поведение. В одном эксперименте мыши превратились в хищников, в другом робкие мыши стали смелыми альфа-самцами. Оптогенетическая активация нейронов уже неоднократно применялась в опытах с мышами. Она позволяла различным исследователям стирать у мышей воспоминания или заставлять их чувствовать жажду.
Первая работа была проведена в Йельском университете под руководством нейробиолога Ивана де Араужу. В его лаборатории исследуется пищевое поведение грызунов. Однажды ученый наткнулся на статью 2005 года, авторы которой обнаружили, что у крыс в ходе охотничьего поведения активируется участок миндалевидного тела – одного из отделов головного мозга. Причем «охотничий центр» оказался расположен в отделе, который обычно отвечает за страх и тревогу. Исследователь решил проверить, верны ли эти данные и для мышей.
Авторы работы полагали, что мыши проявят лишь какие-то элементы поведения хищников, например, будут гоняться за предложенными им сверчками, но не станут их убивать и есть. Но мыши, после воздействия на нужные нейроны, превратились в полноценных хищников: преследовали добычу, наскакивали на нее, обхватывали лапами, убивали укусом сверху и поедать. Исследователи выявили два нервных пути, один из которых отвечает за преследование добычи, а другой за точность и силу укуса. Если экспериментаторы воздействовали лазером только на одну группу нейронов, мыши, например, только гонялись за сверчками, но не могли их убить. В случае симуляции обоих путей одновременно мыши атаковали не только сверчков, но и другие предметы, находившиеся в их клетке: щепки и бутылочные пробки.
В другом исследовании нейробиологи обнаружили цепь нейронов в мозге мышей, активация которой превращала самых робких и забитых грызунов в смелых и доминантных. Профессор Хайлань Ху из Университета Чжэцзян в Ханчжоу, руководивший этой работой, говорит: «Мы стимулируем участок мозга и заставляем мышей продвигаться по социальной лестнице».
Для эксперимента отбирались мыши-самцы, которые занимали в своих группах подчиненное положение. После активации соответствующей нейронной цепи они немедленно становились смелым, настойчивыми, легко вступающими в конфликты и чаще всего одерживали верх над сородичами, заставляя их подчиняться.
Для проверки эффекта было поставлено несколько опытов. В одном два самца должны были двигаться навстречу друг другу по узкой трубке. Возможности разминуться у них не было, так что один из них должен был при встрече отступить назад. Мыши, которые обычно оказывались в этой роли, после активации нейронов начинали в 90 % случаев одерживать верх. Перед ними отступали те сородичи, которым они раньше проигрывали. В другом опыте мыши конкурировали за теплый уголок в клетке с холодным полом, и также стимуляция нейронов помогала им выходить победителями.
Особенно интересно, что после прекращения активации нейронов не все подопытные мыши возвращались в свой прежний подчиненный ранг. Некоторые из них оставались напористыми и смелым, когда их мозг уже не подвергался искусственному контролю. Ученые назвали это «эффектом победителя».
Коммуникация бактериофагов
Ученые из Института имени Вейцмана и Израильского института биологических исследований из Института имени Вейцмана и Израильского института биологических исследований обнаружили, что бактериофаги – вирусы, которые поражают бактерий – обмениваются информацией при помощи особых сигнальных молекул, координируя общее поведение. Исследователи предполагают, что химические сигналы могут применяться и другими типами вирусов, например, теми, что вызывают болезни человека, а значит открытие, возможно, станет основной новых методов борьбы с вирусными заболеваниями.
Первоначально ученые хотели определить, может ли бактерия сенная палочка (Bacillus subtilis) предупредить сородичей о нападении бактериофагов. Коммуникация между бактериями на основе различных веществ, выделяемых ими, давно известна (на ней основано так называемое чувство кворума, рассказу о котором посвящен отдельный очерк). Однако в данном случае ученые обнаружили, что бактериофаг phi3T сам выделяет небольшую молекулу, которая влияет на поведение других вирусов.
Многие бактериофаги могут инфицировать бактерий двумя способами. Обычно они проникают в бактериальную клетку и размножаются, пока клетка не лопнет и новые вирусы не выйдут наружу. Но порой бактериофаги вставляют свой генетический материал в хозяйский геном, а затем надолго остаются в состоянии покоя.
В опыте ученые заражали сенных палочек бактериофагом phi3T, и развитие событий шло по первому сценарию: бактерии погибали, новые бактериофаги освобождались. Затем они отфильтровывали среду, удаляя и бактерий и фаги, а потом помещали туда новых бактерий и вновь заражали их. В этот раз большинство бактериофагов следовало второму сценарию, встраивая свои гены в геном бактерий. Ученые пришли к выводу, что небольшая белковая молекула, которая не удаляется фильтром, влияет на поведение фагов. Этому веществу дали название «арбитриум» (от лат. arbitrium «решение»). В геноме бактериофага phi3T были найдены гены, ответственные за синтез арбитриума и его восприятие.
Арбитриум выделяется во внешнюю среду из убитых бактериофагами бактерий. Когда его уровень становится слишком большим, бактериофаги перестают активно размножаться и переходят ко второму сценарию развития, чтобы сохранить оставшихся бактерий. Установив это, израильские ученые обнаружили более 100 подобных систем у разных бактериофагов, поражающих бактерий из рода Bacillus.
Эхолокация у грызуна
Ученые из Института проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова, Московского зоопарка, Биологического факультета МГУ и Зоологического института РАН в Петербурге впервые в истории обнаружили способность к эхолокации у древесного млекопитающего.
Они наблюдали за содержащимися в Московском зоопарке шапинскими роющими сонями (Typhlomys chapensis). В природе этот редкий вид встречается на севере Вьетнама. Длина их тела 6 – 9 сантиметров, хвоста – в полтора раза больше. У них крупные уши, почти лишенные волос, и длинные белые усы. Хотя они действительно роют норы, много времени эти сони проводят на деревьях в горных лесах и питаются растительной пищей, включая листья, стебли, плоды и семена. Способность роющих сонь видеть давно вызывала сомнения (название рода Typhlomys буквально переводится как «слепая мышь»), хотя некоторые авторы писали, что роющие сони все-таки могут видеть. Авторы нынешнего исследования показали, что эти животные не в состоянии достаточно четко ориентироваться при помощи зрения, так как их сетчатка изогнута. У них крайне мало, не более 2500, нейронов в фокальной плоскость сетчатки, а зрительные нерв замещен клетками глии. При этом роющим соням необходимо ориентироваться среди древесных ветвей.
Ученые обнаружили, что роющие сони издают звуки частотой 50 – 100 килогерц, то есть в ультразвуковом диапазоне. Эти звуки издаются сериями до семи подряд и весьма напоминают ультразвуковые сигналы, которые используются для ориентации летучими мышами, но звучат гораздо слабее. Соня гораздо чаще воспроизводит такие звуки во время движения, чем в состоянии покоя. Авторы работы предполагают, что предок роющих сонь жил в лесной подстилке и утратил зрение, так как оно не использовалось им в темной среде обитания. Когда эти животные начали подниматься на деревья, у них развилась способность к эхолокации, обеспечившая им возможность карабкаться на ветви. Открытие показывает, что и у летучих мышей эхолокация могла появиться раньше, чем способность к полету.
Малярийный плазмодий зовет комаров
Энтомологи давно заметили, что малярийные комары более склонны пить кровь у людей, зараженных малярией. Это повышает вероятность передачи возбудителя малярии другим людям. Но что именно заставляет комаров проявлять такую избирательность, оставалось неизвестным. Теперь на этот вопрос смогли ответить ученые из Швеции.
Группа исследователей из Стокгольмского университета, Королевского технологического института и Шведской академии сельскохозяйственных наук под руководством Ингрид Файе установила, что малярийный плазмодий, находясь в крови человека, производит особое вещество HMBPP (4-гидрокси-3-метил-бут-2-энил пирофосфат), которое влияет на эритроциты. В конечном итоге это приводит к увеличению содержания в выдыхаемом воздухе углекислого газа и ряда летучих веществ, привлекающих комаров. Причем комары не только чаще пьют кровь такого человека, но и высасывают за один раз больший объем крови, предоставляя приют большему количеству малярийных плазмодиев. Ингрид Файе назвала молекулу HMBPP средством, с помощью которого плазмодий вызывает себе такси, когда наступает пора отправляться в путь.
Спасение сумчатых дьяволов
Исследование под руководством ученых из Университета Тасмании Сезара Товара и Грегори Вудса показало, что иммунотерапия может вылечить тасманских сумчатых дьяволов (Sarcophilus harrisii) от угрожающего этому виду заболевания – лицевого рака.
За последние двадцать лет более 80 % популяции тасманийских сумчатых дьяволов погибло от эпидемии лицевой опухоли (devil facial tumor disease, DFTD), которая представляет собой редкое трансмиссивное, то есть передающееся от особи к особи, онкологическое заболевание. Среди дьяволов рак распространяется через укусы. Заболевшие животные погибают в течение полугода. По происхождению клетки лицевой опухоли тасманийских дьяволов оказались мутировавшими шванновскими клетками – вспомогательными клетками нервной ткани, которые располагаются вдоль длинных отростков нейронов, образуя электроизолирующую миелиновую оболочку. Об этой необычной болезни и возможных способах борьбы с ней мы ранее рассказывали в специальном очерке.
Вудс, Товар и их коллеги применили иммунотерапию для лечения особей тасманийского дьявола, у которых опухоли на морде достигали размеров мяча для гольфа, и добились, чтобы в течение трех месяцев эти опухоли постепенно уменьшились, а потом и вовсе исчезли. Эксперименту предшествовали годы упорной работы по изучению иммунной системы тасманийских дьяволов и созданию действенной вакцины. Прорывом стало открытие 2015 года, когда ученые впервые получили иммунный ответ организма сумчатых дьяволов на вакцину, созданную из мертвых опухолевых клеток.
«В нашей последней работе подчеркивается, что иммунная система дьявола оказывается лучшим союзником в борьбе против DFTD, – сказал профессор Вудс. –Это важный шаг на пути к разработке вакцины для защиты от DFTD и, возможно, для иммунотерапии, чтобы вылечить дьяволов, уже заразившихся этой болезнью». Достигнутые результаты показывают, что инъекции вакцины на основе опухолевых клеток могут научить иммунную систему животного распознавать и уничтожать клетки опухоли в организме. В будущем ученые не исключают применения этой вакцины в дикой природе.
Осьминоги генетически модифицируют самих себя
Группа ученых во главе с Джошуа Розенталем из Морской биологической лаборатории и Эли Айзенбергом из Тель-Авивского университета показала, что осьминоги и другие головоногие моллюски способны редактировать собственную информационную РНК (иРНК), чтобы регулировать синтез белков, определяемый генами без изменения самих генов. Такой способ регуляции генной активности в животном мире встречается крайне редко.
Обычно на основе находящейся в клеточном ядре молекулы ДНК по принципу комплиментарности строится молекула так называемой матричной, или информационной РНК. Она охватывает генетическую инструкцию по синтезу конкретных белков. Информационная РНК покидает ядро и передает информацию транспортным РНК, которые доставляют ее в рибосомы, где и происходит основная работа по синтезу.
Многие механизмы, изменяющие экспрессию генов, связаны с воздействием на ДНК, но известны также способы, связанные с иРНК. Для этого используются ферменты из семейства ADAR (аденозиндеаминазы РНК), заменяющие нуклеотид аденозин на инозин, функциональный эквивалент гуанина. Этот способ очень редок, но головоногие моллюски оказались исключением.
Ранее Розенталь и его коллеги уже установили, что именно редактирование информационной РНК кальмары используют для адаптации к изменениям температуры. В новом исследовании они обнаружили новые сферы, где головоногие прибегают к этому средству. В экспериментах принимали участие обыкновенные осьминоги (Octopus vulgaris), калифорнийские двупятнистые осьминоги (Octopus bimaculoides), лекарственная каракатица (Sepia oficinalis), один из видов кальмаров (Doryteuthis pealeii), а также наутилус (Nautilus pompilius). Для сравнения были взяты также брюхоногие моллюски аплизии (Aplysia californica).
Как выяснилось, редактирование иРНК активно используется всеми головоногими, кроме наутилуса. В зависимости от вида редактированию подвергаются от 57 тысяч до 130 тысяч участков иРНК, задействованных в белковом синтезе. При этом особенно часто редактирование иРНК происходит в клетках нервной системы. Пока нельзя с уверенностью утверждать, что именно этот процесс помогает головоногим развивать их высокий для беспозвоночных животных интеллект, но исследователи считают такое предположение весьма вероятным. У наутилуса редактирование иРНК происходит реже, всего примерно на тысяче участков. Примерно столько же их и у аплизии.
Преемственность опыта у почтовых голубей
Долгое время передача опыта от поколения к поколению считалась привилегией людей, но в последнее время ученые обнаруживают такое явление и у некоторых животных. В новом исследовании оно было выявлено у почтовых голубей. Более того, голуби способны вносить коррективы в полученные от старших товарищей знания.
Если почтового голубя выпускают несколько раз в одном и том же месте, он оптимизирует маршрут и возвращается домой все более коротким путем. Этологи довольно давно заметили, что стаи голубей чаще летят домой напрямую, чем отдельные птицы, но не могли понять, в чем секрет их «коллективного разума».
В эксперименте, который провели ученые Оксфордского университета Дора Биро и Такао Сасаки почтовые голуби были снабжены GPS-приемниками. В начале эксперимента голубей в одиночку несколько раз выпускали из одной и той же точки. Когда они начинали летать по стабильному маршруту, к ним добавляли пару – незнакомого с маршрутом голубя – «ученика». После нескольких полетов ученые заменяли старшего из голубей на нового, таким образом, «бывший ученик» в новой паре становился «учителем». Это должно было имитировать смену поколений у птиц. Всего таких смен проводили пять.
Затем маршруты, по которым возвращались птицы из «пятого поколения», сравнивали с тем, которые использовали одиночные голуби и стабильные пары голубей, сделавшие из той же точки столько же вылетов, что и экспериментальные пары в течение своих пяти «поколений». Как оказалось, экспериментальные пары летали по более удачному маршруту. Ученые объясняют это тем, что новые голуби в паре не только перенимали у опытных голубей знания о маршруте, но и усовершенствовали их. То есть в данном случае наблюдается признак того, что исследователи называют «кумулятивной культурой».
Муравьи эвакуируют раненых с поля боя
Африканский муравей вида Megaponera analis питается исключительно термитами. Каждый день эти муравьи совершают набеги на соседние термитники, чтобы захватить их обитателей и унести в свой муравейник. Но термиты не сдаются без боя, поэтому каждый раз штурмовой отряд муравьев должен выдержать жаркую схватку. Это ученые знали давно.
А теперь они обнаружили, что среди этих муравьев есть особы муравьи-санитары, которые не дерутся с термитами, а подбирают раненых на поле боя сородичей и относят их в муравейник. Было непонятно, для чего это делается. Может, чтобы съесть уже непригодных к боям калек? Или действительно для оказания помощи?
Чтобы выяснить судьбу раненых, энтомологи пометили их специальной краской. Как оказалось, до 90 % из них восстанавливали здоровье и некоторое время спустя вновь участвовали в набегах. Также ученые определили, что сигналом для муравьев-санитаров служит вещество, выделяемое из челюстей раненого муравья. Оно настолько привлекает их, что, если этим веществом смазать здорового муравья, муравей-санитар вскоре подбежит к нему и попытается унести с поля боя, не смотря на его сопротивление.
Существуют животные без постоянной кишечной микрофлоры
Большинство животных, в том числе и люди, не может нормально существовать без обитающих в их пищеварительной системе бактерий. Бактерии участвуют в усвоении пищи и помогают бороться с болезнетворными микроорганизмами. Однако недавние исследования показывают, что в мире есть животные без постоянного бактериального населения в кишечнике.
Подобные открытия пока сделаны только среди насекомых. В частности, Тобин Хаммер из Колорадского университета в Боулдере и его коллеги исследовали кишечных микробов у 124 видов гусениц, обитающих в Северной и Южной Америке. В препринте, опубликованном на сервере bioRxiv, ученые сообщают, что не обнаружили признаков того, что он называет «резидентными микробами» – группы микроорганизмов, которые эволюционировали совместно со своими хозяевами. В пищеварительной системе ряда видов гусениц нашлись только те бактерии, которые попадали туда с листьев, которыми гусеницы питались.
Хаммер провел эксперимент для подтверждение способности гусениц жить без постоянных симбиотических бактерий. Он взял 72 гусеницы табачного бражника (Manduca sexta) и дал им различные дозы антибиотиков, которые должны были уничтожить живущих в их кишечнике симбионтов. Но это никак не повлияло на здоровье гусениц.
Прошлые исследования также показали, что гусеницы не имеют микробиомов, говорит Эколог из Гарвардского университета Мелисса Уитакер, изучающая взаимоотношения между гусеницами и бактериями, говорит, что подобные виды обнаруживались и ранее, но это были единичные случаи, тогда как Хаммер исследовал более сотни видов. Уитакер считает, что последствия работы Хаммера огромны. «Гусеницы – одна из самых больших групп растительноядных животных, – говорит она. – Согласно проекту Университетского колледжа Лондона существует около 180 000 известных видов гусениц. Если они не полагаются на бактерии в их кишечнике, чтобы помочь с пищей, то что им помогает?». Уитакер также считает, что число подобных видов может быть еще больше. «Я думаю, что есть некоторая систематическая ошибка в выборе», – говорит она. – Исследователи могут неохотно представлять свои негативные результаты, и журналы также неохотно публикуют их». Она признает, что, когда сама впервые обнаружила отсутствие бактериального населения в кишечнике гусеницы, то решила, что допустила какую-то ошибку в работе.
О подобных находках сообщают и другие исследователи. Йон Сандерс из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружил отсутствие кишечных симбионтов у одного из видов перуанских муравьев. Его статья рецензировалась полтора года и была в итоге отклонена научным журналом. Сейчас она доступна на сайте bioRxiv и рассматривается редакцией журнала Integrative and Comparative Biology.
Энтомолог Матан Шеломи из Института химической энзимологии Общества Макса Планка изучал пищеварение палочников. Он тоже обнаружил, что в кишечнике насекомых не было микробов. Позже он открыл, организм палочников способен расщеплять растительный пектин при помощи генов, взятых из генома бактерий на ранней стадии эволюционной истории насекомых. Шеломи в конце концов опубликовал свои выводы, но, как признает он, «в процессе рецензирования статьи экспертами потребовалось много работы и споров».
Бактериальную клетку научили читать новые буквы генетического алфавита
В 2014 году группа ученых из Исследовательского института Скриппса смогла создать генетически модифицированную бактерию, в геноме которой, помимо четырех обычных “букв генетического алфавита” – нуклеотидов аденина, гуанина, тимина и цитозина – имелись еще две, которые в природе не встречаются. Теперь же они добились, чтобы в бактерии гены с этими двумя необычными нуклеотидами стали полностью функциональны.
Искусственно добавленные нуклеотиды разместили в генах бактерии Escherichia coli, содержащих также и обычные нуклеотиды. В итоге всех экспериментов ученые добились, чтобы эти гены служили для построения информационной молекулы РНК, а на ее основе в бактериальной клетке синтезировался белок, то есть генетические механизмы бактерии стали читать модифицированный геном, как обычный. В итоге бактерия, как и планировалось, начинала производить зеленый флуоресцентный белок с измененной последовательностью аминокислот.
В обычных клетках четыре нуклеотида ДНК служат для кодирования двадцати аминокислот. Добавление к этому набору еще двух нуклеотидов увеличит этот набор до 125 аминокислот. По словам ученых, это может найти и практическое применение, например, дать возможность синтезировать новые лекарства.
Бактерии руководят размножением
Группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли обнаружила, что бактерии выделяют вещества, которые стимулируют спаривание у одноклеточных существ Salpingoeca rosetta.
Salpingoeca rosetta относится к типу хоанофлагеллятов (Choanoflagellata), или воротничковых жгутиконосцев. Обитают они в воде. У хоанофлагеллят действительно имеется «воротничок», точнее что-то вроде венчика из плотно прилегающих друг к другу микровосинок. Внутри этого воротничка находится единственный жгутик. Он постоянно движется, создавая ток воды вверх и наружу. С боков, через микроворсинки, внутрь воротничка поступает новая вода, принося с собой частицы пищи, которые отцеживаются воротничном и поглощаются путем фагоцитоза. Многие хоанофлагелляты способны прикрепляться к субстрату противоположным воротничку концом своей клетки. Среди других есть колониальные формы.
Биологи считают хоанофлагеллятов вероятными предками многоклеточных животных. Такая гипотеза возникает, стоит лишь посмотреть на хоаноциты – клетки губок, ответственные за их питание. Они очень похожи на хоанофлагеллятов: тот же жгутик, тот же воротничок из микроворсинок, тот же механизм фильтрационного питания. Поэтому детали биологии хоанофлагеллятов особенно интересны для исследователей. Но, к сожалению, многое из их жизни остается неизвестным.
Например, долгое время было неясно, свойственно ли воротничковым жгутиконосцам половое размножение или же они размножаются исключительно делением. «Ядра воротничковых жгутиконосцев содержат двойной набор хромосом, но половой процесс у них неизвестен», – сообщал учебник зоологии беспозвоночных 2004 года издания.
В лаборатории одного из крупнейших исследователей хоанофлагеллят Николь Кинг (Nicole King) в 2013 году сумели добиться от пресноводного колониального хоанофлагеллята Salpingoeca rosetta полового размножения. Правда, ради этого жгутиконосцев пришлось морить голодом. В условиях ограничения питательных веществ жгутиконосцы удваивали набор хромосом, а потом проходило анизогамное спаривание – более мелкие клетки сливались с более крупными. Затем проходила рекомбинация хромосом, и клетки расходились, обменявшись генетическим материалом. В половом процессе участвовало не более 2 % жгутиконосцев колонии.
В новой работе исследователи сумели добиться более активного спаривания жгутиконосцев этого же вида при помощи неожиданного средства. В эксперименте, который поставила Ариэлль Возница, в среду со жгутиконосцами была добавлена культура бактерий Vibrio fischeri. К удивлению ученых, жгутиконосцы стали активно спариваться. Наличие полового процесса подтвердилось и при генетическом исследовании – у потомства была обнаружена рекомбинация ДНК.
В сотрудничестве с химиками из Гарвардского университета ученые смогли выявить вещество, производящее такой эффект на жгутиконосцев. Им оказался выделяемый бактериями белок, который получил название EroS. Бактериям он нужен для обеспечения пищей. Этот белок забирает у полимеров, входящих в состав оболочки жгутиконосцев, мономеры сахаров. Сами жгутиконосцы воспринимают высокую концентрацию белка EroS как сигнал к половому размножению. Весьма вероятно, что массовое спаривания под влиянием бактериального фермента характерно для воротничковых жгутиконосцев и в природе.
«Насколько нам известно, это первое доказательство того, что бактерии регулируют спаривание», – говорит Николь Кинг. Возможно, открытый учеными из Калифорнии эффект поможет обнаружить половое размножение и у других одноклеточных организмов. На данный момент для очень многих из них половой процесс не отмечен в лабораторных условиях. «Возможно, они требуют какого-то сигнала, о котором мы не знаем», – говорит Джозеф Хейтман из Университета Дьюка. – Если это так, многие виды, которые теперь считаются совершенно бесполыми, могут фактически прибегать к половому размножению при правильных условиях. Я думаю, что это будет стимулировать дальнейшую работу».
Николь Кинг задумывается над еще одной возможной ролью обнаруженного механизма. Если многоклеточные животные действительно были потомками воротничковых жгутиконосцев, то примечательно, что сперматозоиды животных используют ферменты, схожие с ферментом EroS, для обнаружения яйцеклеток и проникновения вниз. Кинг предполагает, что сигнал спаривания для одноклеточных организмов мог быть использован в новой функции многоклеточными.
Кошки анатолийские и египетские
Долгое время считалось, что приручение кошек было заслугой древних египтян. Однако затем исследования заставили ученых предположить, что кошки были одомашнены на территории Анатолии, когда там появились первые поселения земледельцев. Древнейшее захоронение домашней кошки, возрастом 9500 лет, был найдено в 2004 году на острове Кипр. Но появившаяся недавно работа может вернуть Древнему Египту славу родины домашних кошек. Ее авторы проанализировали генетический материал из останков более 200 древних кошек и в итоге пришли к выводу, что, если кошки и были приручены за пределами Египта, то современный облик они получили в ходе жизни в долине Нила.
В 2008 году зооархеолог Вим ван Неер из Королевского бельгийского института естественных наук в Брюсселе нашел на юге Египта останки кота, кошки и четырех котят, которые жили вместе с людьми около 6000 лет назад. Находка заставила ученого предположить, что Египет мог быть независимым центром одомашнивания кошек. В последующие годы ван Неер сумел добыть сотни экземпляров кошачьих останков от примерно 7000 года до н. э. до XIX века из Европы, Африки и Азии, после чего привлек к исследованию генетиков, которые выделили из них митохондриальную ДНК и сопоставили полученный результат с возрастом и местоположением найденных останков.
Предком домашней кошки был один из подвидов степной кошки (Felis silvestris lybica). Авторы исследования сообщают, что у древних кошек можно обнаружить два разных подтипа митохондриальной ДНК, обозначенные в исследовании как тип A и тип C. Кошки, принадлежащие к типу A, действительно поселились вместе с людьми около 10 тысяч лет назад в Анатолии и в дальнейшем дали начало домашним кошкам. Примерно 6500 лет назад эти кошки проникли в юго-восточную часть Европы, видимо, вместе с переселившимися туда земледельческими народами. А позднее они начали распространяться в другие регионы Европы, Азии и Африки.
Однако Вим ван Неер и его коллеги узнали, что большинство кошачьих мумий из Египта относятся к митохондриальному типу C. Самые древние останки этого типа относятся примерно к 800 году до н. э., но, возможно, он возник и раньше. Просто получить образцы митохондриальной ДНК из более древних останков ученым не удалось. Эти кошки оказались весьма популярны. К V веку н. э. они широко распространились по Средиземноморью и Европе. В некоторых регионах, например, в западной Турции, в первом тысячелетии нашей эры кошек типа C стало в два раза больше, чем кошек типа A.
Ученые считают, что египтяне в течение столетий разводили кошек, отбирая более подходящих для содержания животных, более социальных, чем их предки. Постепенно кошка из охотника на мышей превращалась в компаньона человека. Такую трансформацию отражают произведения искусства Древнего Египта. В самых ранних из них кошки изображены выслеживающими или хватающими мышей и крыс. Затем мы видим, как кошки в ошейниках участвуют вместе с людьми в охоте на птиц. Появляются изображения кошек, сидящих под обеденным столом (к 1500 году до н. э.).
Изображение в одной из гробниц Фиванского некрополя. Ashmolean Museum, University of Oxford/Bridgeman Images
Но остается неясным, как именно у египетских кошек появилась митохондриальная ДНК типа C. Возможно, проникшие в Египет древние домашние кошки из Анатолии спаривались с местными дикими кошками, которые относились к митохондриальному типу C. Или же в Египте кошка была приручена полностью независимо.
В любом случае кошки типа C и типа A неоднократно смешались как в Европе, так и Азии. Современные домашние кошки оказываются потомками как анатолийских, так и египетских предков.
Отдельно ученые провели анализ генов, отвечающих за окраску шерсти. Они установили, что в течение тысяч лет домашние кошки сохраняли расцветку своих предков – диких степных кошек. Они были преимущественно песчано-коричневого цвета с более темными полосками. Только к XIV веку стали появляться разнообразные вариации, в частности – пятнистые кошки. Собаки и лошади после одомашнивание стали менять свою окраску значительно раньше. Исследователи заключают, что при отборе домашних кошек людей больше интересовали их поведенческие характеристики, а не то, как они выглядели.
Вим ван Неер намерен продолжить попытки выделить ДНК из наиболее древних мумий египетских кошек, чтобы уточнить их генетическую историю.
Шимпанзе освоили игру «камень – ножницы – бумага»
Ученые из университетов Киото и Пекина поставили эксперимент по обучению шимпанзе игре «камень – ножницы – бумага». В итоге большинство обезьян сумело освоить игру примерно так же быстро, как и четырехлетние дети.
Основным качеством игры, вызывающим сложности как у обезьян, так и у детей, служит отсутствие линейной иерархии у ее элементов. В эксперименте шимпанзе сидели в кабине перед сенсорным экраном и должны были выбирать более сильный из двух показанных им на экране жестов. Сначала они имели дело только с парой бумага – камень, затем с парой камень – ножницы и наконец ножницы – бумага. Когда отношения в каждой из пар были усвоены, обезьянам стали демонстрировать по два случайным образом выбранных символа. Пять из семи обезьян после 307 раундов сумели усвоить, что камень побеждает ножницы, ножницы – бумагу, а бумага – камень. Интересно, что дольше всего шимпанзе запоминали последнюю пару ножницы – бумага, замыкающую последовательность.
Аналогичное обучение прошли и дети возрастом от 35 до 71 месяца. Начиная с возраста 50 месяцев (чуть больше четырех лет) они начинали справляться с этой задачей. Быстрота принятия решений у шимпанзе примерно соответствовала той, что проявляли дети этого возраста.
Гусеницы научились подражать сигналам тревоги птиц
Гусеницы североамериканского бражника Amorpha juglandis были бы легкой добычей для насекомоядных птиц, если бы не овладели интересным средством защиты. При приближении птицы, гусеница издает резкие свистяще-шипящие звуки. Раньше биологи полагали, что звук просто отпугивает птицу своей неожиданностью, но, как показало новое исследование, издаваемый гусеницами звук воспроизводит птичий сигнал тревоги.
Оборонительное шипение гусениц довольно громкое, измерения на расстоянии пяти сантиметров от гусеницы дали результат в 80 дБ. Достигает этого эффекта гусеница, резко сжимая свое тело и выталкивая воздух через дыхательные отверстия, расположенные на восьмом брюшном сегменте. Джессика Линдсей из Вашингтонского университета заметила, что звуки гусениц похожи на сигналы тревоги, которые многие мелкие птицы издают при виде хищника. Услышав такой сигнал, птицы разлетаются в стороны, стараясь укрыться в низком кустарнике, и надолго замирают. Часто один и тот же тревожный сигнал воспринимают птицы нескольких видов.
Джессика Линдсей и ее коллеги провели эксперимент, воспроизводя звуки, издаваемые гусеницами, возле кормушки, где собирались черношапочные гаички (Poecile atricapillus), гаички Гамбела (Poecile gambeli), канадские поползни (Sitta canadensis) и представители нескольких других видов. Услышав звуки, птицы демонстрировали характерное поведение при сигнале о появлении хищника: ныряли в укрытие, замирали и издавали собственные тревожные сигналы. Аналогичным образом все птицы реагировали на запись тревожных сигналов черношапочной гаички.
Для образования нового вида птиц достаточно двух поколений
Ученые наблюдали случай быстрого видообразования у так называемых дарвиновых вьюрков, обитающих на Галапагосских островах. Потомки случайной природной гибридизации предпочитали спариваться между собой из-за склонности реагировать на брачную песню отца, что обеспечило их изоляцию от собратьев. Исследование провели ученые из Принстонского университета и Университета Упсалы.
В 1981 году на острове Дафне аспирант-зоолог заметил птицу, размеры, окраска и пение которой отличались от всех трех местных видов птиц. Птица была поймана, обследована (она оказалась самцом), у нее взяли образец крови и выпустили. В дальнейшем этот самец спарился с самками обитающего на острове среднего земляного вьюрка (Geospiza fortis) и оставил потомство. Орнитологи во главе с Питером и Розмари Грант, работающими на острове более двадцати лет, отслеживали потомство залетного самца на протяжении шести поколений. У его потомков тоже взяли пробы крови для извлечения ДНК.
Генетическое исследование подтвердило, что самец был большим кактусовым вьюрком (Geospiza conirostris), который обитает на острове Эспаньола, лежащего в сотне километрах к юго-востоку. На острове Дафне он не мог найти самок своего вида, но ему удалось спариться со средними земляными вьюрками. Потомство же оказалось репродуктивно изолированным от средних земляных вьюрков, так как пение, которое самцы используют для привлечения самок, у них соответствовало большим кактусовым вьюркам. Возможно, на выбор партнеры влияли также размер и форма клюва, которые у них тоже отличались от обычных для местного вида. В результате потомки одного залетного самца могли спариваться только между собой. Ранее исследователи полагали, что разделение видов должно занимать много времени, но в данном случае оно наступило уже во втором поколении.