ScienceFirstHand

Новокаледонский ворон (Corvus moneduloides). Рис. Й. Г. Кёлеманс

Вороны, благодаря своему сложному поведению, – один из излюбленных исследовательских объектов, на которых проводятся эксперименты, чтобы выяснить особенности работы птичьего мозга. Недавно ученые из Института орнитологии им. Макса Планка и Оксфордского университета обнаружили, что эти умные создания способны не только использовать орудия для добычи пропитания, но и сами их конструировать

Считается, что создавать инструменты из нескольких заготовок умеют, помимо человека, только некоторые приматы. Самый известный случай был описан почти сто лет назад немецким психологом В. Келером, который проводил эксперименты с шимпанзе. Самец по кличке Султан научился соединять две короткие палки таким образом, что получалась одна длинная, и с ее помощью доставал фрукты, до которых не мог добраться.

Ученые решили поставить аналогичную задачу перед новокаледонскими воронами (Corvus moneduloides), крупными птицами из семейства врановых, обитающими на островах в Тихом океане. Незаурядные способности воронов уже не раз удивляли орнитологов. В природе эти птицы используют согнутые или надломанные веточки для «выуживания» насекомых из щелей в коре деревьев. В 2002 г. широкую известность получила самка по кличке Бетти, которая смогла согнуть металлическую проволоку в крючок, с помощью которого подцепила емкость с кормом. Но все-таки в создании орудий труда из нескольких частей эти вундеркинды животного мира до последнего времени не были замечены.

В этот раз ученые помещали пищу в закрытый контейнер, который можно было достать, только подтолкнув палочкой, просунутой в щель. Получив в свое распоряжение достаточно длинные палочки, все восемь подопытных особей легко справились с задачей. Затем палочки заменили на короткие, которые можно было вставить одну в другую. Половина пернатых испытуемых успешно справилась с задачей. Затем условия эксперимента усложнили, уменьшив длину палочек. Но один выдающийся самец по кличке Манго научился собирать одну длинную палку из трех и даже четырех коротких! частей. По словам ученых, это был первый известный случай, когда животное соорудило инструмент более чем из двух элементов.

Результаты этих экспериментов свидетельствуют, что новокаледонские вороны могут прогнозировать наличие у объекта тех или иных неявных свойств. Правда, как именно они это делают, пока непонятно. Может быть, сталкиваясь с проблемой, они используют какую-то форму виртуального моделирования, проигрывая мысленно возможные действия в поисках правильного решения.

Но способность воронов создавать орудия труда не означает, что их познавательные способности близки к человеческим. Тем не менее, по мнению антропологов, это умение отмечает важный этап в эволюционном развитии мозга. Как показывают археологические находки, человечество научилось создавать сложные инструменты в среднем палеолите, около 300 тыс. лет назад. Современный же ребенок начинает «изобретать» инструменты в возрасте 5–9 лет.

Фото: https://commons.wikimedia.org

Радула сплюснутая (Radula complanata) – «родственница» видов, содержащих перроттетинен

Сегодня в мире широко дискутируется вопрос об использовании в медицинской практике марихуаны – наркотика, получаемого из посевной конопли (Cannabis sativa). Психоактивные вещества конопли (каннабиноиды) уже разрешены в некоторых странах для купирования хронических болей и спазмов, избавления от головокружения и стимуляции аппетита; производные конопли способны уменьшать и симптомы при воспалительных заболеваниях. Поэтому таким привлекательным кажется альтернативный вариант, при котором терапевтический эффект марихуаны достигается при минимальном наркотическом действии

Один из основных алкалоидов конопли – тетрагидроканнабинол (ТГК) – был впервые выделен еще в 1964 г., и довольно долго считалось, что синтезируется он только этим растением. Тетрагидроканнабинол обладает хорошим терапевтическим потенциалом, но используется в медицине редко, так как обладает выраженным наркотическим, психоактивным эффектом.

Позже выяснилось, что вещества, химически сходные с ТГК, также синтезируют некоторые представители печеночников, или печеночных мхов – древнейшей группы высших наземных растений, родственной обычным мхам. В 1994 г. в Radula perrottetii, относящимся к юнгерманиевым печеночникам, был впервые обнаружен алкалоид, близкий к алкалоиду конопли, который был назван перроттетиненом (ПЭТ). Позже это вещество было обнаружено и в других видах радул.

Сейчас об этих печеночных мхах свободно пишут в интернете как о вполне «легальных» наркотиках, хотя с научной точки зрения об их свойствах до недавних пор мало что было известно. Группа швейцарских ученых исправили это упущение, хотя работали они не с самими растениями, встречающимися лишь в Японии, Новой Зеландии и Коста-Рике, а с алкалоидом, синтезированным химическим путем.

В экспериментах на лабораторных мышах они выяснили, что ПЭТ быстро проникает в мозг и специфически активирует каннабиоидные рецепторы клеток. Эти рецепторы были открыты при изучении психоактивного действия соединений марихуаны, за что и получили свое название, но в норме с ними связываются эндогенные каннабиоиды, которые вырабатываются в самом организме и участвуют в регуляции работы клеток нервной или иммунной системы.

Связываясь с каннабиоидными рецепторами головного мозга, ПЭТ понижал у подопытных мышей уровень провоспалительных молекул простагландинов и вызывал более сильный противовоспалительный эффект по сравнению с ТГК из конопли. Психоактивный же эффект у перроттетинена оказался слабее, так что у алкалоида печеночников есть хороший шанс потеснить марихуану из ниши, которую она занимает в современной медицинской практике.

Фото: https://ru.wikipedia.org

Домовая мышь (Mus musculus)

В каждой клетке организма наследственная информация претворяется «в жизнь» благодаря активности тысяч и десятков тысяч генов. Теоретически все эти гены должны работать слаженно, но в действительности некоторые из них ведут себя более «эгоистично», чем другие. Видимые проявления такого «эгоизма» могут быть довольно неожиданными – например, в виде повышенной миграционной активности у домашних мышей

В норме каждый ген представлен в клетке двумя разными копиями (аллелями), так что в половой клетке оказывается либо отцовский, либо материнский вариант. В результате конкретный ген (аллель) передается от предка к потомку с вероятностью 50%. Но некоторые гены нарушают это правило и наследуются в череде поколений с большей вероятностью. Один из таких «эгоистичных» генетических элементов – t-гаплотип, мутантный комплекс совместно наследуемых сцепленных генов, составляющий около 1,5% генофонда домашних мышей (Mus musculus). Сперматозоиды, несущие в своей ДНК этот комплекс, имеют такое большое конкурентное преимущество перед другими сперматозоидами той же особи, что вероятность наследования этих генов достигает 90–99%.

Но не всем генам «нравится» такое положение дел. В результате разворачивается своеобразная эволюционная «гонка вооружений» между эгоистичными и прочими генами, напоминающая взаимоотношения «паразит-хозяин», когда первый начинает манипулировать поведением второго. Примером может служить насекомое веерокрыл осиный (Xenos vesparum), паразитирующий на бумажных осах вида Polistes dominula, которые живут колониями, состоящими из размножающейся матки-«королевы» и рабочих особей. Этот паразит так изменяет характер активности генов своего хозяина – рабочей самки, что последняя начинает вести себя как «королева», что приводит к распространению паразитов по многим гнездам. В свою очередь, геном зараженной осы может отреагировать такой модификацией поведения особи, которая будет, напротив, препятствовать этому процессу.

Основываясь на подобных данных, ученые из Цюрихского университета (Швейцария) изучили поведение мышей, которых поселили в пригородном сарае, поделенном на четыре «жилых» сектора. Животные могли перемещаться между секторами, а также имели возможность свободного выхода-входа в сам сарай. Всех особей протестировали на наличие t-гаплотипа и снабдили передатчиками, позволяющими отследить местонахождение каждого животного.

Проследив за сменой места обитания животных, особенно за молодыми особями, для которых типично миграционное поведение, исследователи обнаружили, что носители t-гаплотипа действительно в 1,5 раза чаще переходят из группы в группу или вообще покидают это место обитания. На основе этих данных они предположили, что t-гаплотип провоцирует миграционное поведение мышей (возможно, изменяя активность тех или иных генов), особенно в больших популяциях. Таким образом, этот генный комплекс как бы «стремится» к дальнейшему распространению, но одновременно это способствует и его сохранению в общем генофонде.

Дело в том, что гомозиготные мыши, имеющие «двойной» t-гаплотип, т.е. и отцовского, и материнского происхождения одновременно, нежизнеспособны. Кроме того, сперматозоиды гетерозиготных мышей, имеющих одну копию t гаплотипа, менее конкурентоспособны по сравнению со сперматозоидами обычного самца. И если самка будет спариваться не с одним самцом, то t-гаплотип передастся потомству с вероятностью не больше 11–24%. Таким образом, носители «эгоистичного» генного комплекса должны избегать популяций, в которых уже живет много «сотоварищей», а также тех, где высока конкуренция за самок.

Удивительно, но у этой фундаментальной работы есть и вполне практическое приложение: ученые планируют использовать t-гаплотип как носитель генной модификации, делающей животных бесплодными, для борьбы с излишне расплодившимися мышами.

Фото: https://commons.wikimedia.org

Шимпанзе в Честерском зоопарке (Великобритания)

Способность поделиться чем-то с другим – это такая чисто человеческая черта... Среди животных подобное поведение за пределами «семейных» отношений практически не встречается, исключения – наши близкие обезьяньи «родственники», шимпанзе и бонобо. Исследуя их поведение, можно узнать много нового о том, как формировались социальные взаимоотношения между древними людьми

Зачем делиться с кем-то, помимо своих родных и близких? Иногда это просто выгодно, например, если взамен мы сами получаем что-то нужное. А бывает и так, что беречь свое добро от посягательств выходит себе дороже. Но всегда ли людьми и обезьянами движет только практическая выгода?

Ученые из Института эволюционной антропологии общества Макса Планка (Германия) многие годы наблюдают за поведением шимпанзе в Национальном парке Таи в западноафриканской республике Кот-д'Ивуар. Оказалось, что при дележке совместно добытой пищи они могут учитывать вклад конкретной особи в ее добычу. Иногда такой дележ может происходить в рамках некой «сделки», «попрошайничества», или же обезьяны могут просто отнять еду у тех, у кого она есть.

Выяснилось, что в тех случаях, когда шимпанзе добровольно делятся едой, то они охотнее делают это со своими «друзьями», с теми, кем у них сложились более тесные отношения. При этом ни высокий статус прочих особей, ни поступающие от них предложения «сделки» не влияют на это решение.

Ученые предположили, что существует связь между таким типом поведения и работой системы «гормона привязанности» окситоцина, а также системой гормона дофамина, участвующей в работе центра вознаграждения. Чтобы проверить это, они собирали образцы мочи шимпанзе в течение часа после приема пищи и измеряли в них уровень окситоцина. Для дальнейшего анализа всех обезьян поделили на три группы: те, кто безуспешно участвовал в совместной добыче еды; особи, которые делились друг с другом после удачного промысла; наконец, те обезьяны, которые делились едой вне связи с ее совместной добычей.

Во всех трех группах уровень окситоцина был повышен по сравнению с контрольной группой (животными, никак не взаимодействовавшими с другими), включая и тех особей, которые отдавали еду, и тех, кто ее принимал. По-видимому, окситоцин запускает петлю положительной обратной связи при разных межличностных взаимодействиях, подкрепляя эмоциональные дружеские связи между шимпанзе и способствуя их социализации. Судя по факту преемственности базовых моделей социальных отношений у приматов и человека, есть все основания считать, что тот же самый механизм способствовал развитию сотрудничества и у древних людей.

Фото: https://commons.wikimedia.org

Для размножения большинства высших организмов необходим союз двух разнополых особей. И хотя среди более низкоорганизованных животных, таких как рептилии, земноводные и рыбы, встречаются виды, у которых самки могут размножаться партеногенетически (без участия самцов), для млекопитающих таких исключений не обнаружено. Но с помощью современных молекулярно-генетических технологий это правило, похоже, рано или поздно удастся обойти

Клетки всех млекопитающих диплоидны, т.е. несут два набора хромосом – от отца и от матери. Другими словами, каждый ген представлен двумя копиями (аллелями) – отцовской и материнской, потенциально одинаково «рабочими». Однако в процессе развития эмбриона включается эпигенетический (надгеномный) механизм, который «выключает» копии определенных генов в зависимости от их происхождения. Для некоторых генов активной может быть только копия, унаследованная от матери, для других – только от отца. Это явление, затрагивающее очень небольшую, но очень важную часть генома, названо геномным импринтингом.

То, что для нормального развития зародышей необходим и женский, и мужской генетический материал, стало ясно еще в 1980-х гг. благодаря экспериментам на мышах. В 2004 г. ученым удалось получить живых мышат, имеющих полностью «женский» по происхождению геном. Для этого экспериментаторы «выключили» в геноме одной из матерей ген H19, кодирующий важную для развития эмбриона регуляторную РНК. Так как в норме у зародыша активируется именно материнская копия H19, то активизация сразу двух копий гена могла приводить к нарушениям эмбрионального развития.

Но «выключения» только одного гена оказалось недостаточно. Успех эксперимента оказался относительным: из более чем 300 таких эмбрионов, которые имплантировали 26 суррогатным матерям, «получилось» всего два (!) мышонка. Одна мышь выросла и сама принесла потомство, но этот случай стал исключением из правила.

Сейчас исследователи из Китайской академии наук создали мышей, родителями которых являются не только «две мамы», но и «два папы». Для этого они получили женские и мужские эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) с одинарным набором хромосом, как у половых клеток, для чего побудили к делению обычные неоплодотворенные яйцеклетки, либо яйцеклетки, ядро которых заменили на ядро сперматозоидов.

В геноме этих клеток с помощью метода редактирования генома CRISPR/Cas9 был удален уже не один, а несколько фрагментов, после чего женские ЭСК с одним набором хромосом ввели в яйцеклетки другой самки, а соответствующие мужские – в яйцеклетки с ядром сперматозоида.

Из 210 экспериментальных эмбрионов с двумя «мамами» на свет появилось 29 мышат, которые успешно выросли и дали потомство. А вот с чисто «мужскими» эмбрионами ситуация оказалась много хуже: никто из более чем тысячи зародышей не выжил. Как показали исследования, они сильно отставали в развитии и, главное, у них не формировалась нормальная плацента, связывающая организмы плода и матери. Тогда исследователи пошли дальше и сконструировали зародыши, содержащие не двойной, а учетверенный набор мужских хромосом! Но и в этом случае из тысячи попыток успешными оказались только двенадцать, и эти мышата погибли вскоре после рождения.

Интересно, что детеныши от двух матерей получались меньшего размера, чем обычные мышата женского пола, а от двух отцов – большего, чем такие же мужского. По-видимому, это наблюдение подтверждает гипотезу «противостояния» родительских генов: отцовские гены «стараются» сделать плод более крупным, увеличивая будущую конкурентоспособность потомка, а материнские – «стремятся» уменьшить размер плода, чтобы снизить риски по его вынашиванию для матери.

Результаты этих работ наглядно свидетельствуют, что проблем с созданием эмбриона из генетического материала однополых особей много, и появление хотя бы относительно здоровых животных в таких экспериментах – большая редкость. Но не стоит думать, что ученые занимаются такими экспериментами для того, чтобы в будущем детей могли заводить однополые пары. Такие исследования носят скорее фундаментальный характер, позволяя нам лучше понять, как идет геномный импринтинг и сам процесс эмбрионального развития млекопитающих, который еще во многом остается «черным ящиком».

Фото: https://commons.wikimedia.org

Еще в 2016 г. американское Агентство передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA) объявило о начале программы Insect Allies, цель которой – разработка методов быстрой ликвидации негативных последствий природных или техногенных катастроф в растениеводстве. Для этого предлагается, ни много ни мало, «на ходу» редактировать геном сельскохозяйственных культур, внося изменения, которые помогут этим растениям выжить. «Курьерами» же, доставляющими нужные генно-инженерные конструкции, будут насекомые. Но у ученых возникли к специалистам DARPA вопросы, и пока на них не будет ответа, есть подозрение, что разработку можно использовать как биологическое оружие

Вся селекция культурных растений основана на отборе случайных или специально вызванных модификаций генома растений, которые передаются по наследству и закрепляются в последующих поколениях. Специалисты из DARPA решили использовать для модификации генома генетически модифицированные вирусы растений, которые будут распространяться непосредственно «в поле» насекомыми. Правда, время жизни последних будет ограничено парой недель.

Согласно первому контракту, заключенному в июле 2017 г., объектами редактирования должны стать томаты и кукуруза, а «генетическими инженерами» – цикадки, белокрылки и тли. С помощью метода редактирования генома (скорее всего, широко применяемой системы CRISPR) в геном растений будут вноситься изменения, которые позволят им пережить такие негативные явления, как, например, засуха или нашествие вредителей.

Однако эта на первый взгляд многообещающая идея вызвала недоумение и критику со стороны французских и немецких ученых, по мнению которых биологические, экономические и социальные последствия распространения таких генетических агентов слишком непредсказуемы. Особый риск несет использование насекомых, польза же всего этого предприятия в целом представляется крайне сомнительной.

Вопросов к разработчикам много. Например, зачем нужны насекомые, если вирусные агенты можно просто распылять? DARPA объясняет это тем, что распыление требует использования инструментария, малодоступного тем же американским фермерам, для которых это все это и делается, но этот аргумент не выдерживает критики. Критики отмечают, что в документах DARPA есть упоминания о неких неопределенных угрозах, от которых должна защитить предлагаемая разработка. Но в случае экстренной ситуации намного быстрее произвести аэрозоль, чем переносчиков-насекомых.

Ученые опасаются, что программа может быть направлена не столько на помощь фермерам, сколько на разработку биологического оружия: ведь достаточно убрать ограничение на срок жизни насекомых-носителей, и вирус-модификатор сможет распространяться неограниченно. Программа плоха вовсе не потому, что финансируется военными, да и в любом случае не всегда удается предсказать, пользу или вред принесет она в конечном итоге. Тем не менее представители научной общественности уверены, что прежде чем начать реализацию проекта, представители DARPA должны ответить на все спорные вопросы.

Фото: https://www.maxpixel.net

Как свидетельствует палеогенетика, наши древние предки были не слишком разборчивы в связях и активно скрещивались между собой. И хотя неандерталец, один из самостоятельных древних подвидов Homo sapiens, сошел с исторической арены несколько десятков тысяч лет назад, некоторые его гены продолжают «жить» в генофонде современного человечества. Доля неандертальцев в нашем геноме составляет в среднем всего около 2%, но даже этот небольшой процент, возможно, существенно влияет на то, что сейчас представляет собой Homo

Человечество, как известно, зародилось в Африке, откуда вышло несколько глобальных «волн» переселения. Когда африканскую «колыбель» покинули древние представители человека современного физического типа, на просторах Евразии уже не одну сотню тысяч лет обитали неандертальцы. Эти популяции древних людей могли обитать бок о бок, смешиваясь между собой, но в конечном итоге неандертальцам пришлось уступить.

По мнению ученых, в древности геном Homo sapiens содержал до 10% неандертальской ДНК, но затем доля неандертальских генов довольно быстро снизилась до нынешнего уровня: «ненужные» или «вредные» гены не закрепились в нашей популяции. Но какие из оставшихся генов сохранились случайно, как «нейтральные», а какие были отобраны естественным отбором как полезные? И какие обстоятельства способствовали этой селекции?

Многие из часто встречающихся в современном геноме фрагментов неандертальской ДНК связаны с иммунитетом, в том числе с защитой от вирусов, с которыми столкнулись представители человека современного типа, покинув Африку. К этому времени иммунная система неандертальцев была уже хорошо знакома с характерными для Евразии патогенами, и наши предки не стали «дожидаться» появления собственных адаптивных мутаций, а «позаимствовали» их у неандертальцев. Правда генный обмен сопровождался и обменом самими вирусами, но здесь и заработал естественный отбор: у потомков смешанных браков в геноме закреплялись нужные «антивирусные» гены.

Недавно ученые из Стэнфордского университета (США) показали, что генетически обусловленная защита, которую передали нам неандертальцы, направлена против РНК-содержащих вирусов (ретровирусов). У современных людей среди 4,5 тыс. генов – «защитников» против вирусов, найдено 152 генных фрагмента, имеющихся и у неандертальцев. Эти гены кодируют белки, способные взаимодействовать с такими современными РНК-содержащими вирусами, как ВИЧ, вирус гриппа А и гепатита С. И присутствуют они только у современных людей европеоидной расы, что подтверждает гипотезу о нескольких «эпизодах» скрещивания древних популяций.

Подобно тому, как палеонтологи по отпечаткам на камнях пытаются восстановить облик вымерших животных, так и палеогенетики, исследуя «отпечатки» древней ДНК в генофонде современного человечества, могут узнать, чем и когда болели наши предки, даже если эти инфекции давно ушли в прошлое. На основе таких данных мы сможем лучше понять механизмы возникновения и протекания эпидемий не только в прошлом, но и в настоящем и будущем.

Фото: https://pixabay.com