У ракоподібних виявлено структури мозку, пов’язані з пам’яттю та навчанням

Хвилі солоної морської води приховують від нас дивовижних створінь. Вони, мов прибульці з інших планет, дивують нас своїми екзоскелетами з хітину, зябрами, що дають змогу дихати під водою та однією з найскладніших зорових систем, які коли-небудь досліджувала людина. Й мова йде про раків-богомолів чи ж, як їх ще називають, – ротоногих.
Якщо у авторів цього посту та його читачів в оці знаходиться 3 типи колбочок, то раки-богомоли налічують їх аж 16! Мало того, вони здатні налаштовувати чутливість свого довгохвильового зору у залежності від умов довкілля. І хоч вони не можуть використати свої супер-можливості для створення живопису, але це точно допомагає їм ловити прозорих організмів, яких не помічають інші ласі до поживи хижаки.

Oratosquilla oratoria, back.jpg
Японський рак-богомол хизується зоровими сенсорами. Джерело: Serguei S. Dukachev

“Грибні тіла”  у ракоподібних?

Проте, ротоногі володіють ще однією чудовою особливістю. Нещодавно у них знайшли структури мозку, пов’язані з пам’яттю та навчанням, які раніше були виявлені тільки в комах.
Незважаючи на те, що ракоподібні були предковою групою для комах, у них до цього не реєстрували мозкових структур, відомих як “грибні тіла”.

Те, що виглядає як ніжка на шапинці, – це грибне тіло дрозофіли. Джерело: Jenett A, Schindelin JE, Heisenberg M.


Ніколас Страусфельд в Університеті Арізони в Тусоні та його колеги проаналізували мозок ряду ракоподібних і знайшли комахоподібні “грибні тіла” в раків-богомолів, таких як Gonodactylus smithii. Ці тварини зазвичай демонструють більш витончену поведінку в таких видах діяльності, як полювання та розпізнання предметів, ніж інші ракоподібні.
“Грибні тіла” могли розвиватися в предкових форм ракоподібних і комах, а потім зникнути у крабів, лобстерів та споріднених з ним груп. Але також можливо, що подібні структури розвивалися окремо як у комах, так і в ротоногих ракоподібних.
Фото: Roy L. Caldwell/UC Berkeley
eLife (2017)

Цитрусові пристрасті: вчені проаналізували родовід апельсина, лимона та мандарина

Рід Citrus та родичі цитрусові (Fortunella, Poncirus, Eremocitrus і Microcitrus) утворюють окрему підродину Aurantioideae у складі Рутових (Rutaceae). Ці гарні рослини та подекуди смачнючі ласощі можна зустріти від західного Пакистану до північно-центрального Китаю, їхній ареал охоплює Східно-Індійський архіпелаг, Нову Гвінею і архіпелаг Бісмарка, Північно-Східну Австралію, Нову Каледонію, Меланезію та західні Полінезійські острови.

Оселища, які придатні для зростання цитрусів трапляються по всій території їхнього ареалу, хоча географічне походження, час та особливості поширення цих видів у Південно-Східній Азії залишаються загадками. Основною перешкодою для їх вирішення є наше погане розуміння родоводу цитрусових, особливо його гібридів, які широко представлені у культурі. Мова йде про апельсини, лайми, лимони, грейпфрути та інші види.

Тому не дивно, що нинішня хаотична класифікація цитрусових, яка заснована на давніх, суперечливих даних вимагає серйозної перевірки та переробки.

Для вивчення генетичного різноманіття та еволюційної історії цитрусових міжнародна команда вчених на чолі з Альбертом Ву проаналізувала геноми з 58 цитрусових та 2 неспоріднених популяцій з родів  Poncirus і Severinia (так звані – аутгрупи). Дослідники використали усі попередні дані з розшифрування геномів, але також додали до них 30 власних  сіквенсів. Їхня колекція може похвалитися даними по 8 раніше не досліджених видах, таких як негібридні мандарини (Citrus reticulata), цитрон (рука Будди) (Citrus medica), Citrus micrantha (дикий вид з підроду Papeda), кумкват (Fortunella margarita, також відомий як Citrus japonica var. margarita) і Citrus ichangensis (також відомий як Citrus cavaleriei, цей вид також розглядається у підроді Papeda). Науковці не обійшли увагою також і  три види австралійських цитрусових. Серед кожного виду обиралися лише расово вірні особини без ознак міжсекційних схрещувань.

Результат пошуку зображень за запитом "Citrus medica"
Цитрон або як ще його називають “що за лимон Ви мені підсунули?”. Джерело: UTP

Результати аналізу отриманих послідовностей показали міжвидовий гібридний характер рангпура (лимандарина) та червоного лимона (двох різних гібридів мандарин-цитрон), лайма (гібрид Citrus micrantha та цитрона) та каламондина (гібрид кумквата та мандарина).

Лимандарин роздумує над тим, на який з батьківських видів він більше схожий. Джерело: Amada44

Генетичні дані підтвердили походження грейпфрута (гібрид помело та апельсина), лимона (виник від змішування помаранча (бігардії) та цитрона) та ериморанжа (гібрид апельсина та Eremocitrus glauca).

Вчені також перевірили походження мандело (коктейльного грейпфруту), від слабокислого помело з материнського боку та гібрида двох сортів мандаринів з батьківської сторони. Походження апельсина Ambersweet теж підтверджується. Це гібрид мандарина та апельсиново-клементинового гібрида.

Як і стверджувалось раніше, бігардія або помаранч (Citrus aurantium) – це гібрид помело та мандарина. У геномі апельсина взагалі коїться казна-що! Вчені проаналізували послідовності 10 сортів Citrus sinensis й виявились, що всі вони походять від одного предкового генома, які утворилися в результаті низки соматичних мутацій.

Дослідники ідентифікували десять похідних цитрусових видів. Трьома фундаментальними цитрусовими видами виявились цитрони (C.medica), мандарини (C. reticulata) та помело (Citrus maxima).  Аналіз  підтвердив, що лимони, лайми, апельсини та грейпфрути – це гібриди, які включають ці три види.

Гібридні види (каломондин, лимони та неавстралійські лайми) з походженням від двох або більше видів цитрусових легко виявляються на основі їхньої вищої гетерозиготності (1,5-2,4%) щодо внутрішньоспецифічного розмаїття (0,1-0,6%).

Інші цитрусові гібриди показують двовершинний розподіл гетерозиготності (солодкий апельсин, грейпфрути та деякі дуже гетерозиготні мандарини) внаслідок міжвидової гібридизації, процесу який зазвичай включає складні зворотні схрещуванння.

Серед чистих генотипів без міжвидових домішок, цитрони демонструють значно нижчу внутрішньовидову мінливість (близько 0,1%), ніж інші види (0,3-0,6%). Знижена гетерозиготність цитронів, мабуть, пов’язана з клейстогамією. Квітки настільки самозакохані, що запилюються ще до відкриття квіток під час фази бутона.

Figure 1
a, Багатофакторний аналіз 58 геномів цитрусових. Виокремлюються три основні цитрусові групи (цитрони, помело та мандарини) з міжвидовими гібридами (апельсинами, грейпфрутами, лимонами та лаймами), розташованими у проміжних положеннях щодо їх батьківських генотипів. b, розподіл гетерозиготності в 58 груп цитрусових, що представляють 10 таксономічних груп, а також 2 аутгрупи, Poncirus (Poncirus trifoliata, також відомий як Citrus trifoliata) та (Severinia). c, Хронограма видоутворення цитрусових. Очевидні дві чіткі і тимчасово добре розділені фази: цитрусова радіація (ніяких рентгенів, просто інтенсивне утворення нових форм у межах певного таксону) у Південно-Східній Азії, а потім видоутворення австралійських цитрусових. Калібрування часу грунтується на цитрусових рештках C. linczangensis від пізнього міоцену (позначено червоним кружечком). d, Пропоноване походження цитрусових та стародавніх маршрутів розселення. Стрілки пропонують правдоподібні міграційні напрямки цитрусових видів з центру походження – трикутника, утвореного Північно-Східною Індією, північною М’янмою і північно-західним Юньнанем (провінція Китаю). Ця пропозиція є сумісною з біогеографією цитрусових, філогенетичними зв’язками, передбачуваним терміном диверсифікації та палеогеографією регіону, особливо геологічною історією. Червона зірка позначає місце знахідки C. linczangensis. Зображення цитрусових плодів в c та d не масштабовані.

Визначення набору чистих цитрусових видів дає нове розуміння філогенії цитрусових, їх походження, еволюції та розповсюдження. Родовід апельсинових родичів є суперечливим, частково через складність виявлення чистих чи диких видів роду через значну міжвидову гібридизацію. Нова філогенія, заснована на аналізі ядерного геному, показує, що цитрусові є монофілетичною групою і встановлює чіткі зв’язки між його родами. Примітно, що філогенія, отримана від ядерного геному, відрізняється від філогенії, отриманої на основі даних по хлоропластному геному у деталях. Це не є несподіваним, оскільки ДНК хлоропласту являє собою єдину, нерекомбінаційну одиницю і навряд чи буде чутливою до швидкого видоутворення унаслідок гібридизації.

Цитрусові виникли в Південно-Східній Азії. На це прозоро натякають їхнє високе видове різноманіття у цьому регіоні та кліматичні умови, що існували тут. Викопні рештки пізньої міоценової епохи в провінції Китаю Юньнань описані як вид Citrus linczangensis. Цей вид має риси, характерні для нинішніх основних  груп цитрусових. Все говорить про те, що це спільний предок сучасних  цитрусових, що існував уже 8 мільйонів років тому.

Команда вчених говорить про те, що 6-8 мільйонів років тому відбулося швидке становлення азійських цитрусових. Цей період співпав з послабленням мусонів та вираженим кліматичним переходом від вологих до сухих умов. У Південно-Східній Азії ця помітна зміна клімату спричинила значні зміни в біоті, включаючи міграцію ссавців та швидке видоутворення у ряду родів рослин.

Австралійські цитрусові формують особливу гілку у родоводі. Дані молекулярних досліджень та філогенетичний аналіз  не підтримують австралійське походження для цитрусових. Швидше за все, вони поширились з Південно-Східної Азії в Австралію. Аналіз геному показує, що австралійські види формувалися в епоху раннього пліоцену, близько 4 мільйнів років тому.

Найбільш близьким у порівнянні з австралійськими цитрусовими є кумкват (Fortunella). Цитрусові предки, імовірно, мігрували через лінію Уоллеса, природний бар’єр для розповсюдження видів з Південно-Східної Азії до Австралійської Азії, а потім адаптувалися до цього різноманітного клімату.

Результати також показують, що мандарин Тачибана (Citrus tachibana), який природно зустрічається на Тайвані, архіпелазі Рюкю та в Японії, відколовся від материкових азійських  мандаринів  протягом раннього плейстоцену (близько 2 мільйонів років тому). Льодовикові максимуми цієї епохи сприяли формуванню мостів суші у результаті падіння рівня води Південно-Китайського моря.

Хоча мандарин тачибана був описаний як окремий вид (Citrus tachibana), аналіз послідовностей ДНК показує, що він має тісну спорідненість зі звичайним мандарином  C. reticulata . Проте філогенія за хлоропластним та ядерним геномом сказала, що тачибана це щось одне, а материкові мандарини це щось інше. Скоріш за все невдовзі статус мандаринів тачибана понизять до підвидового.

Саса широколиста взимку
Мандарин тачибана переживає через пониження свого статусу до підвидового. Джерело: Degueulasse

На відміну від цього дикий манганський мандарин (Citrus mangshanensis) являє собою чітко відокремлений окремий вид. Політипісти можуть йти геть з повішеним носом!

Скільки помело в твоєму мандарині?

Використовуючи дані послідовностей геному цитрона, помело та мандарина, вчені виявили гібридогенне утворення 46 ліній цитрусових. ДНК помело зустрічається у всіх цих групах, окрім 5 з 28 досліджених зразків мандаринів. А відповідно до ролі помело у становленні мандаринів їх усіх можна розділити на 3 групи.

Figure 2
А. Алельні пропорції п’яти предкових цитрусових видів у 50 популяціях. CI – це цитрон (C. medica); FО – кумкват (Fortunella); МА – vfylfhby, C. reticulata; MC – Цитрус дрібноквітковий (C. micrantha); PU – помело (C. maxima); UNK – вчені без поняття звідки це взялося. Помело та цитрон це чисті види цитрусових. Відповідно до участі помело в геномі мандаринів їх можна розділити на три групи – чисті (тип-1) і змішані (тип-2 і -3) мандарини. Б. Родинне дерево основних цитрусових генотипів. П’ять предукових видів показані зверху. Блакитні лінії представляють собою прості схрещування між двома батьківськими генотипами, тоді як червоні лінії являють собою більш складні процеси, що включають декілька осіб, покоління та / або зворотніх схрещувань. У той час як мандарини типу 1 є чистими видами, мандарини типу 2 (ранні домішки) містять невелику кількість суміші помело, які можна простежити до предкового помело (з гаплотипами P1 або P2). Пізніше додаткові проникнення геному помело в мандарин типу 2 створили як мандарини типу 3 (пізні гібриди), так і апельсин. Подальше схрещування між солодким апельсином і мандаринами призводять до створення сучасних мандаринів. Фруктові зображення не мають масштабу і представляють найпопулярніші типи цитрусів.

Мандарини типу 1 представляють собою чисті C. reticulata без доказів міжвидової гибридизації і включають Тачибану та три безіменні лінії китайських мандарин (M01, M02, M04) і стародавній китайський сорт Сунь Чу Ша Кат, виведений ще у 1178 році.  Шістнадцять з двадцяти восьми мандаринів належать до мандаринів типу 2, які мають невелику кількість домішок помело (1-10% від всього геному). У решти семи ліній мандаринів (тип-3) містяться більше фрагментів геному помело (12-38%).

Приручити мандарини та апельсини

Одомашнення цитрусів почалося з відбору самозапильних гібридних особин. Додаткова різноманність виникала через відбір особин із соматичними мутаціями.

Гібридизація з помело корелювала з розміром та рівнем кислотності фруктів. Розміри плодів мандаринів, апельсинів, грейпфрутів демонструють сильну позитивну кореляцію з відносною кількістю генома помело у їхньому складі. На додаток до розміру фруктів, основним водієм одомашнення плодів є смакові якості. У мандаринів смакові властивості, пов’язані з проникненням геному помело у головний локус на початку хромосоми 8. Жоден з чотирьох відомих кислих мандаринів, не демонструє домішок помело у цій частині геному.  Таким чином ця ділянка в хромосомі тепер стане популярним об’єктом втручань для селекіонерів. До речі, саме в ній знаходиться ген, який кодує мітохондріальну NAD + -залежну ізоцитратдегідрогеназу (IDH), яка регулює синтез лимонної кислоти.

Nature volume 554, pages 311–316 (15 February 2018)
doi:10.1038/nature25447

Розгадано походження мармурових раків

Ще одна перемога молекулярних біологів! Геном мармурових раків розкрив свої таємниці під натиском апаратів для секвенування. Й схоже, що тепер ми знаємо секрет успішності цих дестяногих тварин!

Мармурові раки (Procambarus virginalis)  – дуже дивні істоти! Їх раніше ніхто не бачив у природі, допоки в кінці буремних 90-их років вони з’явилися, мов би нізвідки, у акваріумі на території Німеччини.  Оскільки Луї Пастер самозародження прирівняв до теорії несилової взаємодії ще в сиву давнину, то справа набувала загадкового характеру.

Procambarus fallax forma virginalis.jpg
Мармуровий краб мріє про подорож на Мадагаскар. Джерело: Zfaulkes

Нелегальні мігранти

Мармуровим ракам давно не раді у Європейському Союзі та в частині Сполучених Штатів Америки. Всюди, куди ступають членисті кінцівки цих тварин – наступає екологічне лихо. Наукова спільнота з тривогою спостерігає за  вторгненням цього виду на Мадагаскар. Ні герої однойменного мультфільму, ні спеціалісти по інвазієм не можуть дати раду цьому явищу, і, як мінімум, сімом місцевим видам тварин у найближчому майбутньому загрожує невблаганнее зникнення.

“Це просто шалені ракоподібні. Вони множаться як правки у рецензованому журналі! Боюсь, що це тривожний дзвіночок для ендемічних мадагаскарських видів,”

– можливо, саме так і сказав Френк Ліко, молекулярний біолог в Німецькому центрі дослідження раку в Гейдельберзі, який керував дослідженням . Яка іронія, Френку! Судячи з назви твоєї науково-дослідної установи, ти трішки не той рак досліджуєш!

Гібридний геном

Звідки такі переваги у маленької, нікому раніше невідомої тварини? Ну, по-перше, вони триплоїди! Тобто кожна хромосама має ще дві подружки, тоді ж як у такого чудового організму як шановний читач цієї статті – подружка лише одна (ми про хромосоми, якщо що!).

Команджа Ліко  розшифрувала геном одного піддослідного мармурового рака. І всі факти вказують на те, що цю супер-ефективну інвазивну тварину породив Procambarus fallax, інший вид раків, який є мешканцем водойм Флориди. Скоріш за все до створення мармурових раків причетна випадкова подія. Не така випадкова як вибір Вашої теми для досліджень.

Вчені вважають, що якась статева клітина подвоїла свій геном. Можливо, через коливання температури чи сотню інших причин. Але результатом запліднення за її участі став мармуровий рак. Новий, триплоїдний, небезпечний. Його особини розмножуються незайманим заплідненням або партеногенезом. І часу на самців витрачати не треба!

Екологічні терористи

2007 рік – це не тільки рік, коли Гурбангули Бердимухамедов став 2-м президентом Туркменістану. У цей рік вперше мармуровий рак був виявлений на Мадагаскарі.

Джулія Джонс, вчена з Університету Бангора, Великобританія, з того часу невпинно за ними стежить. І не лише за ними, а й за місцевими жителями. Дослідниця описує випадок, коли зустріла в автобусі чоловіка з величезним пакетом живих раків. Він мав твердий намір викинути їх у найближчу водойму, щоб утворити нову продуктивну популяцію. Й, очевидно, це поширена практика. Мармурові раки дешевий та популярний продукт. Й саме тому голос науковців не чути за жуванням страв з цього делікатесу.

Nature Ecol. Evol. (2018), doi:10.1038/s41559-018-0467-9

Які переваги довгих ший у жираф?

Навіщо жирафам їхні довгі шиї? Здається, що це елементарне питання. Очевидно ж – вони дозволяють тваринам діставати і їсти вищі листки на деревах. І це буде абсолютно правильна відповідь. Але далеко не єдина.
Ряд еволюційних біологів пропонують інше пояснення (G. Mitchell et al., J. Arid Environ., 145, 35-42, 2017). Вчені стверджують, що довгі шиї жирафів – це потужний інстумент охолодження організму у сухих та спекотних умовах африканської саванни.

Давня дискусія

Дискусія про довжину шиї жирафів має давню історію. Французький натураліст Жан-Батист Ламарк припустив, що шиї жирафів подовжуються, через те, що тварини хочуть досягти все вищих гілок на дереві. Ця новаторська ідея дуже випереджала свій час, але зараз її незаслужено перетворили на анекдот.

Результат пошуку зображень за запитом "ламарк жираф"
Жирафи у світлі двох широко відомих у вузьких колах людства теорій


Дарвін і його сучасник Альфред Рассел Уолліс пояснювали цю ситуацію з позицій природного добору – довга шия з’явилася першою, і це дало б більш високим особам значну перевагу перед коротшими жирафами.
Це пояснення довго не мало жодних заперечень, поки в листі до журналу в 1949 році Чапман Пінчер не звернув увагу на те, що ноги жирафа також надзвичайно довгі (це рятує їх від хижаків) (P. Pincher Nature 164 , 29-30, 1949). За його словами довга шия була потрібна жирафам, щоб нахилятися до землі й компенсувати великий розмір кінцівок. Теорія Пінчера ніколи не була дуже популярною, але коли палеонтологи знайшли рештки предків жирафів, то вона зовсім розсипалась. Протягом мільйонів років ці тварини спокійно існували з довгими ногами та короткими шиями.
Вчені пропонували й інші пояснення довгошийості. Одне з найпопулярніших – довгі шиї допомагають самцям жирафів використовувати свої голови, щоб побити суперників. Інша гіпотеза схилялася до думки, що довга шия краще приваблювала самок цього виду. 

Терморегуляція?

І зовсім нещодавно вчені спробували пояснити незвичні пропорції тіла жирафів з точки зору терморегуляції. Спочатку пропозиція полягала в тому, що довгі шиї (і ноги) значно змінили баланс між об’ємом і площею поверхні. Це співвідношення визначає, як швидко тварини отримують і втрачають тепло. Жирафи виглядають так, ніби вони мають більшу, ніж звичайна площа поверхні в порівнянні з бочкоподібними носорогами, слонами та іншими – але чи це дійсно так? 

Головне у терморегуляції – відзилятися від сонячних променів. Джерело: Getty


Вимірювання розмірів жираф у Зімбабве показали, що площа поверхні жирафа насправді не більша, ніж можна було б очікувати для будь-якої іншої тварини тієї ж самої маси. Охолоджуватись тваринам допомагає здатність відхилятися від сонця. Повороти довгої шиї дають змогу захистити значну частину шкіри від дії сонячних променів.

Бактерії на морському дні стають стійкими до антибіотиків

Рибна їжа, яку використовують у морському сільському господарстві, є небезпечним резервуаром для накопичення бактерій, що володіють генами стійкості до антибіотиків. Мул на морському дні слугує їм за надійний сховок.

Безквиткові пасажири на борошні

Цзин Ван та його колеги з Далянського технологічного університету в Китаї проаналізували п’ять продуктів з рибного борошна. Два зразки взяли із Перу, а ще по одному з Китаю, Росії та Чилі. Команді дослідників вдалося ідентифікувати в пробах 132 гени стійкості до антибіотиків.
Коли рибне борошно розподіляється у морських рибних господарствах, більша його частина падає на морське дно, оминаючи тварин, які б мали ним поласувати. Разом з борошном в осад потраплюють і безквиткові пасажири – бактерії. Нові члени мікробних спільнот охоче діляться своїми генами резистентності з колегами по цеху.
Світлина від Національний науково-природничий музей НАН України.
Рибне борошно падає вниз. Чию ж кар’єру воно нагадує? Джерело: ННПМ

Бактерії на Вашому столі

Коли такі бактерії потраплять до харчового ланцюжка, то з великою долею ймовірності зможуть заразити рибу, ракоподібних та інші морепродукти. Таким чином небезпечні збудники захворювань, які стійкі до дії антибіотиків потрапляють на стіл людини. А що буде далі – лише воля випадку.
Щоб боротися з цієї проблемою необхідно перевіряти рибне борошно на наявність в ній антибіотик-резистентних генів.
Environ. Sci. Technol. (2017)

 

Вчені з’ясували, як зозулі підкладають яйця в чужі гнізда

У квітні 2013 року письменник Роберт Ґелбрейт дебютував на книжковому ринку з детективним романом “Поклик зозулі”. Багатьох критиків здивувало те, як недосвідчений письменник майстерно та впевнено написав свій перший роман. Крім того, літературних оглядачів здивував детальний опис чоловіком жіночого гардеробу. Була проведена лінгвістична експертиза, яка виявила схожість між текстом книг «Поклик зозулі» і «Несподівана вакансія» та «Гаррі Поттер і смертельні реліквії». Виявляється, що твір написав зовсім не новачок, а Джоан Роулінг, яка вдалася до найуспішної літературної містифікації з часів Річарда Бахмана (Стівена Кінга).

Найвідоміший птах-містифікатор

У світі тварин подібні фокуси часто здійснює чудова птаха Cuculus canorus – зозуля. Славнозвісні двохнотні поклики зозулі – насправді вигукують маленькі й горді самці цього виду, тоді ж як самка в цей час займається “брудною роботою”, підкидаючи свої яйця до гнізд інших видів. Її крики є дуже різними, їх рідко можна почути, але вони також є вагомою складовою паразитичного пакету птаха.

Світлина від Національний науково-природничий музей НАН України.
Зозуля зробила свою справу, зозуля відпочиває. Джерело: ННПМ

Учені Кембриджського університету Великобританії розкривають темний зміст поклику зозулі. Дослідники вивчили поведінку та вплив звуків птахів у серії польових експериментів.

Уявний яструб

Після того, як самка здійснює “підміну понять” у цільовому гнізді, вона навмисно імітує лякаючий крик яструба. Ці звуки змушують господарів думати лише про небезпеку й вони не помічають, що одне з яєць у їхньому сімейному гніздечку якесь завелике та різнобарвне.

Птахи витягають шиї з гнізда та посилено сканують повітряний простір, щоб не пропустити атаку голодного яструба, якого насправді навіть немає поряд.

Nature Ecology & Evolution 1, 1520–1525 (2017)

Бачити без очей – не фантастика, а сувора необхідність для ряду тварин

Голкошкірі використовують світлочутливі клітини по всьому їх тілу, щоб орієнтуватися у просторі.

Для зору не завжди потрібні очі.  Змієхвістки Ophiocoma wendtii,  які на півставочки є родичами морських зірок, сканують простір довкола завдяки світлочутливим клітинам, які розкидані по всьому їхньому тілу.

Щасливий володар суперсили – Ophiocoma wendtii. Джерело: John Miller

Попередня гіпотеза

Так-так, похваліть нас за оперативність. Лише вчора в працях такого монстра (у хорошому сенсі) як Proceedings of the Royal Society B були опубліковані результати – й ось вони на Довколаботаніці.

Хоча змієхвістка нагадує багатьох ворогів української науки, адже у неї повністю відсутній мозок, ця тварина реагує на світло. Ці милі істоти живуть поміж рифів.  Тіло у них зіркоподібної форми й має чітко відокремлені  тонкі рухливі промені. Їхня кількість, як і в більшості морських зірок, – теж 5, тому теоритично ця змієхвістка теж дасть Вам high five.

Коли на тварину світить сонце – вона від нього втікає. Вчені раніше думали, що розгадка криється в тонкому шарі шкіри, де також є кристалічні структури. Саме вони працюють разом як велика злагоджена команда. Їхня роль проста  зосереджувати світло на нервових закінченнях. Таким чином мікролінзи допомагають формувати зображення, яке й використовується цими голкошкірими.

Пов’язане зображення
Попередня здогадка вчених полягала в тому, що ось такі мікролінзи допомагають тваринам бачити. Джерело: aps

 

До справи беруться еволюціоністи

Але коли команда еволюційних біологів уважно подивилася на скелет змієхвістки, вони зрозуміли, що крихітні структури, мабуть, не мають нічого спільного з баченням. Вони пропонують кардинально інше пояснення зору Ophiocoma wendtii.

У якості розминочки, дослідники довели, що змієхвістки можуть реагувати на візуальні сигнали.

“Вони не лише віддаляються від світла, але й можуть вибирати найтемніший відтінок на відстані близько 40 сантиметрів і дуже швидко рухатися до нього”, – каже нейробіологиня Лорен Самнер-Руні з Університету Оксфорду, Велика Британія, яка й очолила дослідження.

Результат пошуку зображень за запитом "Lauren Sumner-Rooney"
Ломнер Самнер-Руні намагається зрозуміти, за допомогою яких сенсорів Ви зараз читаєте статтю. Джерело: Oxford

Коли команда вчених ретельно дослідила тіло Ophiocoma wendtii  вони здивувались. Нервові закінчення не підходили близько до кристалічних структур у шкірі. Отже, мікролінзи ніяким чином не подразнюють сенсори й попередня гіпотеза немає нічого спільного з реальністю як і заяви багатьох політиків.

Більше того, дослідники виявили велику кількість клітин, які під зав’язку запаковані світлочутливими молекулами. Ці клітини розташовані на покривах променів, але не пов’язані з кристалічними лусочками. Світлочутливі клітини знаходяться в тісному контакті з нервовими пучками, саме тому вони запускають реакції втечі від світла у Ophiocoma wendtii.

Бачиш клітини? А вони тебе – так! Чудові сенсори змієхвістки. Джерело: Sumner-Rooney

Велике питання полягає в тому, чи можуть змієхвістки розрізняти фігури. Дослідники проводять постійні експерименти, які підтверджують, що можуть.

Бачити без очей – це тренд, а не виняток

“Це дослідження переповнює впевненістю, що здатність бачити без очей або окоподібних структур, більш поширена, ніж ми думали”, – говорить Джулія Сигварт, еволюційний біолог у Королівському університеті в Белфасті, Великобританія, та співавтор дослідження.

 

Багато тварин, включаючи морських їжаків та невеликих ракоподібних, використовують цей механізм для відчуття довкілля. Змієхвістка  – це лише останнє доповнення до списку.

Сприйняття навколишнього середовища та реагування на стимул без необхідності чекати, поки цей сигнал пройде весь шлях до мозку, може заощадити багато часу. І ця ідея могла б надихати на розробку роботів і технології розпізнавання зображень, які не покладаються на центральну систему управління.

https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.3974001.

 

Метелики виявилися старішими ніж ми гадали

Дослідники, які вивчають зразки геологічних порід, отримані від глибокого буріння, іноді бувають сердитими. Поряд із їхніми любими пилком та спорами часто знаходиться якесь сміття. Й це відкоремлення мух від котлет було рутинною справою, допоки не виявилось, що незрозумілі шматочки дійсно є майже мухами. У недавно дослідженому зразку з північної Німеччини цих решток було так багато, що на них уже не можна було не звернути увагу.

Вікно в тріас

І от ми маємо результат! Два дні тому була опублікована стаття у Science Advances. У ній еволюційний біолог Тімо ван Елдік та його співавтори описують свою знахідку як найдавніші викопні рештки порядку Lepidoptera. Це саме ті комахи, до яких належать метелики. Своїм зборам вчені присвоїли вік 201 мільйон років тому, а це, на хвилиночку, кордон між періодами тріасу та юри. Нова знахідка підтверджує дані молекулярного годинника про виникнення метеликів  і допомагає усунути загадкову прогалину в літописі викопних решток.

До дослідження було залучено 70 зразків, виявлених у свердловині глибиною більш ніж 300 метрів. Знахідки є лусочками на крилах метеликів. Саме проходження світла крізь ці переломлюючі структури й зумовлює формування різноманітних кольорів і візерунків. Світловий мікроскоп, а пізніше скануючий електронний мікроскоп, підтвердили попередні визначення вчених.

Виявилося, що це ніяке не сміття, а луски метелика. Джерело: Timo et al.

Дослідники також дослідили незвичні перфорації на лусочках. Вони характерні для сучасної групи лускокрилих – Glossata. Вона поєднує всіх метеликів, що мають хоботок для смоктання. Найстаріша раніше відома викопна рештка такої істоти мала вік 129 мільйонів років.

Перфорації на лусочках метелика хочуть переписати історію квіткових рослин. Джерело: Timo et al.

Але ця знахідка свідчить не лише про те, що хоботкові лускокорилі виникли на кілька десятків мільйонів раніше. Загальновизнаним є те, що смоктальний хоботок виник у результаті появи квіткових рослин. Цей гаджет дозволяє метеликам отримувати нектар, а рослинам успішно запилюватися.

So what?

Коеволюція метелитків та квіткових рослин давно є предметом захоплення натуралістів. Неймовірна людина, еволюціоніст, геолог, палеонтолог, зоолог та ботанік Чарлз Дарвін досліджував орхідеї Мадагаскару. В одного виду Angraecum sesquipedale він знайшов нектар у самісінькій глибині зігнутої в трубку квітки.

Орхідеї передбачають існування бражників. Джерело: John Nugent Fitch

“Яка ж комаха зможе залізти в цю діру?”  написав Дарвін своєму другу. Він припустив, що має бути метелик з родини бражників з таким величезним хоботком. І дійсно, через 45 років він був знайдений! Майже 25 см відбірного хоботка!

NHM Xanthopan morgani.jpg
Ми б не довіряли цьому бражнику ніяких секретів! Джерело: Natural History Museum of London

Автори статті гадають, що їхні дані розбивають теорію про те, що поява смоктального хоботка метеликів – це відповідь лускокрилих на появу покритонасінних. Замість цього вони наполягають, що перехід комах “до харчування виключно рідкою їжею” – це адаптація до глобального потепління та посушливих умов пізнього тріасу.

Цілком можливо, що давні метелики харчувалися соком пошкоджених листків й лише потім радо почали користатися ноу-хау покритонасінних. У мізках ряду вчених навіть поселилася крамольна думка – “Можливо, квітки з’явилися як пристосування до смоктальних хоботків метеликів?” Але самі автори дослідження не спішать спекулювати своїми даними.

Science Advances 10 Jan 2018:
Vol. 4, no. 1, e1701568
DOI: 10.1126/sciadv.1701568

Довколаботаніці, якщо в тебе раптом є така божевільна ідея.
1. Поширюй її контент так, наче завтра заборонять репости
2. Подивись та прокоментуй свіже відео на її каналі https://youtu.be/8fnw7by0Nww
3. Ставай на слизький шлях її патрона та мецената 5168 7573 9483 8249 О. Коваленко), або ж на Патреоні: www.patreon.com/dovkolabotanika
4. Підписуйся на телеграм t.me/dovkolabotanika

Забагато способів формування нервових систем

Нервова система живих організмів розвивається під суворим контролем біологічних молекул. Останнє дослідження вказує на те, що цей спосіб управління виникав у тваринному світі неодноразово.

Тварини розумні й тварини не дуже

Нервові системи тварин дуже різноманітні. Вони можуть складатися з кількох клітин-нейронів, а можуть формувати складні багатофункціональні мізки. Від маленької гідри з невпорядковано розкиданими чутливими клітинами до розумного читача цієї статті – величезна прірва еволюційних подій. Але є одне цікаве питання. Складні централізовані нервові системи мають спільне походження чи неодноразово виникали у різних гілках родинного дерева тварин?

Результат пошуку зображень за запитом "animal nervous system"
Нервова система гідри. Недосконала, але красива. Джерело: Stefan Siebert and Charles David

На перший погляд, що комахи, що хребетні можуть похвалитися мозком, з’єднаним з одним нервовим тяжем, який розташовується уздовж всього тіла. Крім того, дані молекулярних досліджень показують, що основні регулюючі гени працюють аналогічно під час розвитку нервової системи у хребетних, членистоногих та навіть кільчастих червів  [Corlen, Ohlen, 2000]

Отже, без варіантів нервова система має єдиний план розвитку у всіх двобічно-симетричних організмів? Якби не так! 4 січня Мартін-Дуран та його колеги [Martin-Duran, 2018] надали докази незалежної еволюції таких нервових систем.

Двобічно-симетри́чні, або Білатеральні (Bilateria) — група тварин, до якої відносять всі організми, які мають двобічну симетрію. У них всіх ліва сторона тіла дзеркальним чином відповідає правій.

У всьому винні гени

Більш ніж століття вчені ламають списи об наріжний камінь питання “Які еволюційні кроки дозволили сітці нейронів стати централізованою нервовою системою?”.

У середині 1980-х років дослідження отримали нове дихання завдяки виявленню великої родини генів, які кодують фактори, що визначають розвиток нервової системи.

Гомеобокс (Homeobox) – послідовність ДНК, яка виявлена ​​в генах, які відповідають за регуляцію розвитку тварин, грибів і рослин. Ці гени працюють як перемикачі для інших генів. Гомеобокс складається приблизно з 180 пар нуклеотидів і кодує білковий домен довжиною в 60 амінокислот (гомеодомен), який може зв’язувати ДНК.

Гени, які містять гомеобокс, утворюють окрему родину. Найбільш вивченими і найбільш консервативними з них є Hox-гени, які контролюють сегментацію тіла під час розвитку. Виявилося, що представники цих генів, включаючи комплекс Hox, спрацьовують аналогічно у дрозофіл та хребетних тварин.

Проте останні досягнення молекулярної філогенії змінили наш погляд на еволюцію тварин.

Молекулярна філогенетика або молекулярна систематика, молекулярна філогенія, “молекулярка” — галузь філогенетики (та, у свою чергу, систематики), що використовує методи молекулярної біології. Для класифікації організмів розшифровують структуру ДНКРНК і білків.

У 2016 році було показано, що малі червоподібні двосторонньо- симетричні істоти з типу Xenacoelomorpha є сестринською групою до клади Nephrozoa. 

Nephrozoa – клада, яка виділяється на основі генетичного аналізу, об’єднує в себе всіх вторинно- і первинноротих тварин. Тобто нас теж 🙂

Через те, що ксенакоеломорфи є найближчими живими родичами нефрозоїв, порівняння між цими двома групами можуть допомогти дослідникам знайти ознаки, які є в останнього спільного предка та всіх його численних нащадків.

Еволюція нервових систем тварин. Білатеральні (тварини, що володіють двостороньою симетрією) складаються з нефрозоїв та сестринської групи, ксенакоеломорфів. У багатьох нефрозоїв та ксенакоеломорфів є централізовані нервові системи, на відміну від їх найближчих родичів, кнідарій, що мають просту нервову сітку. Набір генів з гомеобоксом (позначений зірочкою), що контролюють повздовжнє розростання нервового стовбура, представлений у хребетних, комах і кільчастих червів. Було встановлено, що це еволюційна консервативна ознака, яка керує розвитком нервової системи, й успадкована або від спільного предка усіх двосиметричних тварин (блакитний круг), або від спільного предка нефрозоїв (фіолетовий круг). Проте, Мартін-Дуран та ін. не знайшли таких генів з гомеобоксом у дев’яти груп двобічносиметричних тварин – п’яти клад спіралій та чотирьох ксенакоеломорфів (обведені червоними рамками). Всі ці дані вказують на те, що розвиток та морфологічні подібності між централізованими нервовими системами двобічносиметричних істот є результатом незалежних еволюційних подій, які відбувалися паралельно. Джерело: Nature

Що ці ксенакоеломорфи собі дозволяють?

Ксенакоеломорфи мають різні типи будови нервової системи. Деякі з них є щасливими володарями лише ланцюжка нейронів, як і найближчі родичі серед двобічно-симетричних істот Кнідарії – медузи та морські анемони. Інші хизуються одним або декількома нервовими тяжами, що тягнуться або вздовж, або впоперек тіла.

Proporus sp.png
Наш далекий-далекий родич Proporus sp. Джерело: Marco Curini-Galletti та ін.

Мартін-Дуран та його колеги досліджували експресію генів у чотирьох групах ксенакоеломорфів. Вони виявили, що, хоча експресія ряду генів з гомеобоксами у цих тварин спостерігається, але  гени, що б відповідали за розростання нервового тяжу у повздожньому напрямку, його повністю позбавлені.

Нервові системи не такі схожі як ми думаємо

Мартін-Дуран та ін. далі взялися за малодосліджену групу спіралій. До цих тварин належать кільчасті та пласкі черви, а також молюски.  У більшості груп генів з гомеобоксами не виявлено. Окрім того, навіть у близькоспоріднених відділів з подібним планом будови нервової системи механізми регуляції її розвитку кардинально різняться.

У попередніх дослідженнях напівхордових та пласких червів також не було виявлено експресії генів з гомеобоксом для повздовжнього розростання нервового тяжу.  Цю відсутність інтепретували як вторинну втрату. Але, враховуючи дані Мартіна-Дурана та колег, це зовсім не так.

Скоріш за все, що “типова” система регуляції розвитку нервової системи не була представлена в останнього спільного предка усієї групи двобічно-симетричних та нефрозоїв. Швидше за все, вони розвивалися окремо у кожній групі.

(Nature, 2018)

doi:10.1038/nature25030

Ти можеш допомогти Довколаботаніці, якщо в тебе раптом є така божевільна ідея.
1. Поширюй її контент так, наче завтра заборонять репости
2. Подивись та прокоментуй свіже відео на її каналі https://www.youtube.com/watch?v=Z-d_b5prhNs&t=165s
3. Ставай на слизький шлях її патрона та мецената 5168 7573 9483 8249 О. Коваленко), або ж на Патреоні: www.patreon.com/dovkolabotanika
4. Підписуйся на телеграм t.me/dovkolabotanika