Znajdź zawartość

Muszka owocówka, którą, jak się wydaje, dobrze poznaliśmy, znowu zaskoczyła naukowców pokazując, jak mało pomysłowi są ludzie w porównaniu z naturą. Owad wykorzystuje niewielkie podobne do włosków struktury do odbierania bodźców zewnętrznych, a struktury te są zorganizowane w sposób jednocześnie niezwykle prosty i niezwykle efektywny. To tak proste i intuicyjne rozwiązanie, że nie mogę uwierzyć, iż ludzie nie wpadli na to już 25 lat temu - mówi matematyk i informatyk z Tel Awiwu, Noga Alon. Poznanie sposobu organizacji połączeń pomiędzy wspomnianymi strukturami przyczyni się do stworzenia doskonalszych sieci i programów komputerowych oraz sieci czujników. Już teraz wiadomo, że komórki nerwowe tworzące połączenia u muszki owocówki zorganizowały się w ten sposób, że część z nich to liderzy mający połączenie z każdą inną komórką. W podobny sposób zorganizowane są komputerowe sieci rozproszone, od takich umożliwiających przeszukiwanie internetu po te sterujące samolotem podczas lotu. Jednak tym, co wprawiło naukowców w zdumienie jest fakt, że u muszek owocówek organizacja tych sieci jest znacznie prostsza, bardziej wydajna i odporna na zakłócenia niż wszystko, co wymyślił człowiek. Uczeni wykorzystali zdobytą wiedzę do stworzenia nowego algorytmu działania sieci rozproszonych. Podczas jego testów odkryli, że jest on szczególnie przydatny do sieci, w których liczba węzłów i ich położenie nie są całkowicie pewne. Algorytm taki świetnie sprawdzi się w zarządzaniu np. sieciami rozproszonych w wodzie czujników czy też do dużymi grupami robotów. Naukowcy od dawna używają modeli komputerowych i matematycznych do analizowania systemów biologicznych. Tutaj zastosowaliśmy odwrotną strategię i studiujemy system biologiczny, by rozwiązać problem z dziedziny informatyki - mówi Zvi Bar-Joseph z Carnegie Mellon University. Badanie połączeń nerwowych muszki owocówki pozwoli na rozwiązanie jednego z bardzo istotnych problemów matematyczno-informatycznych. Obecnie rozległe sieci komputerowe korzystają z przetwarzania rozproszonego. Tysiące czy miliony procesorów wspólnie pracują nad rozwiązaniem tego samego problemu, żaden z nich nie ma kompletnej wiedzy o tym, co jest przetwarzane, a całość musi pracować pomimo błędów czy awarii występujących w pojedynczych elementach. Aby taki system działał konieczne jest wyznaczenie procesorów-liderów, które będą w stanie szybko komunikować się z innymi procesorami sieci. W teorii grafów nazywa się to maksymalnym zbiorem niezależnym (MIS). Każdy z procesorów w sieci jest albo liderem, członkiem MIS, albo też jest połączony z liderem. Natomiast liderzy nie są ze sobą bezpośrednio połączeni. Eksperci od 30 lat poszukują najlepszego sposobu nad optymalnym wyznaczanie przez sieć elementów, które powinny należeć do MIS. Obecnie najczęściej stosuje się metodę probabilistyczną, w której procesory samodzielnie przejmują rolę liderów na podstawie liczby bezpośrednich połączeń, które mają z innymi procesorami. W każdej rundzie wykonywania algorytmu dochodzi do ponownego wybrania liderów na podstawie liczby połączeń. Liderzy wybierani są błyskawicznie, jednak cały proces związany jest z wysyłaniem olbrzymiej liczby dodatkowych informacji oraz wymaga od procesorów, by z wyprzedzeniem znały liczbę przypadających nań połączeń. To stanowi olbrzymi problem w przypadku sieci bezprzewodowych czujników, których położenie może być przypadkowe, a połączenia między nimi nie są im znane, gdyż nie każdy czujnik będzie znajdował się w zasięgu każdego innego czujnika. Naukowcy odkryli, że u muszki owocówki, już podczas jej rozwoju, wybierane są komórki nerwowe, które będą liderami. Jednak, w przeciwieństwie do opisanych powyżej procesorów, komórki nie mają informacji o połączeniach z innymi. Komórki, które same wybrały się na liderów, wysyłają po prostu sygnały, które powodują, że bezpośrednio połączone z nimi komórki nie zostają liderami. Taki proces trwa zaledwie trzy godziny i w tym czasie zostają ustaleni liderzy i podlegające im komórki. Bar-Joseph zauważa, że u muszki prawdopodobieństwo, iż komórka zostanie liderem nie jest - jak w przypadku sieci procesorów - funkcją liczby połączeń, ale funkcją czasu. To oznacza, że komórki nie muszą z wyprzedzeniem znać liczby połączeń, a komunikacja pomiędzy nimi jest maksymalnie uproszczona. Badania algorytmu zbudowanego dzięki badaniu owadów wykazały, że działa on nieco wolniej od obecnie używanych, ale jest za to bardziej wydajny i odporny na zakłócenia.

Co decyduje o doborze partnera? Atrakcyjność, zdolność do posiadania potomstwa, zdolność do wyżywienia rodziny - wymieni każdy. Odkrycie, że może o tym decydować żyjąca w organizmie bakteria nieco szokuje, ale to prawda. Co więcej, może ona sterować ewolucją organizmu gospodarza. Na szczęście nie dotyczy to człowieka, lecz muszki owocówki. Ewolucję postrzegano dotychczas jako ewolucję osobników danego gatunku. W przypadku różnego rodzaju symbiozy, rozpatrywano rzecz jako niezależne ewolucje: na przykład ssaka i żyjącej w jego jelitach bakterii. Doświadczenie izraelskich naukowców z Wydziału Mikrobiologii Molekularnej i Biotechnologii na Tel Aviv University dowodzi, że przynajmniej w części wypadków ewolucję należy rozpatrywać jako zmianę całego środowiska, zwanego holobiontem. W tym przypadku zwierzę oraz bytujące wewnątrz udomowione bakterie ewoluują nie osobno, lecz razem. Pierwsze doświadczenie, jakie przeprowadzili prof. Eugene Rosenberg, prof. Daniel Segel oraz doktorant Gil Sharon, było powtórzeniem eksperymentu, jaki już dwie dekady temu przeprowadzono na uniwersytecie w Yale. Populację muszek owocowych podzielono na dwie części: jedną karmiono cukrem słodowym, drugą skrobią. Z racji krótkiego życia muszki ewoluują dość szybko i rozdzielone populacje różnicują się szybko. Po roku eksperymentu, kiedy rozdzieloną populację połączono na nowo, zaobserwowano, że osobniki z dwóch subpopulacji nie chciały się ze sobą mieszać, na partnerów wybierając jedynie osobniki nawykłe do karmy tego samego rodzaju. Izraelscy naukowcy udowodnili ponadto, że na taką zmianę nie potrzeba aż roku, wystarczy nawet jedno lub dwa pokolenia. Kto kim rządzi? Drugi eksperyment miał na celu znalezienie - podejrzewanego już - mechanizmu tak szybkiej ewolucji. Podawanie muszkom razem z karmą zwykłego antybiotyku spowodowało, że wykształcenie odmiennych preferencji partnerskich w wyniku diety nie następowało. Aplikacja antybiotyku już po zróżnicowaniu populacji również znosiła podział. W kolejnych eksperymentach wyizolowano odpowiedzialną za taki stan rzeczy bakterię Lactobacillus plantarum - symbiotycznie żyjącą w układzie pokarmowym muszek. Ponowne zasiedlenie układu pokarmowego muszek bakteriami przywracało podział populacyjny. Po dokładniejszych badaniach okazało się, że sprawa leży w poziomie wytwarzanych feromonów. Logicznym wnioskiem wysuniętym przez badaczy jest, że bakterie L. Plantarum potrafią regulować produkcję feromonów swoich gospodarzy, wpływając w ten sposób na ich preferencje seksualne, a pośrednio na przebieg ewolucji. Bakterie mają krótszy cykl życiowy i ewoluują szybciej, niż większe organizmy. Wpływając na zachowanie gospodarza przyspieszają również jego ewolucję. To sprawia, że taki holobiont może ewoluować znacznie szybciej, niż wydawałoby się to możliwe. Trudno na razie ocenić rozpowszechnienie takiego zjawiska, nie da się wszakże wykluczyć, że dotyczy ono również organizmów bardziej rozwiniętych niż muszki i może odgrywać istotną rolę w ewolucji. To stawia teorię ewolucji w nowym świetle i może oznaczać konieczność sformułowania jej nawet na nowo.

My, ludzie, uważamy swój wzrok za coś doskonałego i traktujemy jako „wzorzec" wyglądu świata. A tymczasem pod wieloma względami na tym polu biją nas nie tylko zwierzęta takie jak sowy ale także wiele owadów, nawet głupiutkie muszki - owocówki. Jakich właściwości wzroku powinnyśmy najbardziej zazdrościć innym stworzeniom? Wybór jest szeroki: widzenie w ciemnościach, postrzeganie podczerwieni i ultrafioletu, postrzeganie polaryzacji światła, natychmiastowa detekcja ruchu. Tylko filmowy Predator miał to wszystko. Każdy pewnie wybrałby co innego, sportowcom, na przykład piłkarzom, zapewne przydałaby się umiejętność natychmiastowej reakcji na ruch - jakże wzrosła by ich skuteczność! My możemy sobie tylko o tym pomarzyć a tymczasem taką umiejętnością dysponują zwykłe muchy. Jak się okazuje, mikroskopijny móżdżek muchy potrafi przetwarzać sygnały wizualne z szybkością nieosiągalną ani dla nas, ani dla najlepszych superkomputerów. Postrzegają one najszybszy nawet ruch, trwający ułamki sekund, w sposób, jaki można porównać jedynie z obserwowaniem ruchu w zwolnionym tempie. Matematyczny model przewidujący w jaki sposób mózg muchy przetwarza obraz powstał już w 1956 roku. Potwierdziło go wiele eksperymentów, przez pół wieku jednak niewykonalne było zbadanie i zweryfikowanie rzeczywistej architektury połączeń pomiędzy jego neuronami. Nawet dziś, kiedy potrafimy mierzyć aktywność poszczególnych komórek nerwowych przy pomocy miniaturowych elektrod, mózg muchy jest po prostu zbyt mały na zastosowanie takiej techniki. Z zagadnieniem zmierzyli się naukowcy Instytutu Neurologicznego Maxa Plancka w Martinsried, badając w działaniu system nerwowy muszki owocówki (Drosophila melanogaster). Podeszli oni jednak do zagadnienia w zupełnie inny sposób i zamiast elektrod posłużyli się najnowszymi zdobyczami biologii i zmodyfikowali obiekt swoich badań genetycznie. Do komórek nerwowych muszki wprowadzono molekułę TN-XXL, mającą właściwości fluorescencyjne. W ten sposób neurony zmodyfikowanych muszek same sygnalizowały swoją aktywność. Do śledzenia tej sygnalizacji posłużono się laserowym mikroskopem dwufotonowym. Jako źródło „wrażeń" dla badanych Drosophila melanogaster wykorzystano ekran LED wyświetlający świetlne wzory. Potrzebne było jeszcze wyłowienie słabych sygnałów świetlnych fluorescencyjnych neuronów spośród znacznie silniejszego światła ekranu, ale po uporaniu się z tym problem i synchronizacji mikroskopu z wyświetlaczem można było przeprowadzić badania nad systemem wykrywania ruchu owocówek. W pierwszych doświadczeniach zbadano funkcjonowanie komórek L2, otrzymujących sygnały bezpośrednio z fotoreceptorów w oku muchy. Fotoreceptory reagują na dwa rodzaje zdarzeń: zwiększanie intensywności światła i jej zmniejszanie, przekazując sygnał dalej. Okazało się jednak, że badane komórki L2 przetwarzają otrzymywany sygnał i przekazują dalej tylko informację o zmniejszaniu się siły światła. Nie jest znana rola takiego szczególnego filtrowania, ale oczywiste jest, że w takim razie musi istnieć inna grupa komórek, odpowiedzialna za przekazywanie sygnałów o zwiększaniu intensywności światła. Już pierwsze eksperymenty przyniosły więc zaskakujące wyniki i odsłoniły nowe obszary badań. Zespół badawczy pod kierunkiem Dierka Reiffa liczy na wiele jeszcze odkryć i zastosowań. Zamierza on krok po kroku i neuron po neuronie prześledzić cały układ detekcji ruchu i sposób, w jaki przetwarza on informacje na poziomie komórek. Na rezultaty badań niecierpliwie czekają też współpracownicy z projektu Robotics. Członkowie zespołu to Dierk F. Reiff, Johannes Plett, Marco Mank, Oliver Griesbeck, Alexander Borst; ich praca na ten temat została opublikowana w magazynie Nature Neuroscience.

Niemiecko-amerykańska grupa naukowców odkryła feromon, który samce muszek owocówek przenoszą podczas aktu seksualnego na swoje partnerki. Jego zadaniem jest odstraszenie od niej pozostałych konkurentów. Naukowcy z uniwersytetów w Harvardzie i Münster wyjaśniają, że feromon ten powoduje nieatrakcyjność seksualną samiczek dla kolejnych potencjalnych partnerów. Odkrycie to wyjaśnia zatem abstynencję zwierząt po akcie seksualnym. Muszki owocówki wyposażone są w receptory znajdujące się na ich odnóżach. Działają one podobnie jak kubki smakowe na języku człowieka. Feromon CH503 sprawia, iż samiczka staje się po prostu „nieapetyczna". Klaus Dreisewerd z Instytutu Fizyki Medycznej i Biofizyki Uniwersytetu w Münster wyjaśnia, że dla samca stanowi to gwarancję zapłodnienia jaj tylko przez niego. Ponieważ feromon pozostaje na ciele muszki przez 10 dni, a składanie jaj następuje po 3,4 dniach, może być pewny sukcesu. Wyniki badań mogą zostać wykorzystane w przyszłości w ograniczeniu populacji komarów, gdyż owady te przenoszą niebezpieczne dla człowieka choroby, m.in. malarię. Naukowcy wychodzą z założenia, że również inne insekty wydzielają podobne feromony. W trakcie dalszych badań mogłyby być one sztucznie wytwarzane, a następnie wykorzystywane jako antyafrodyzjaki.

Naukowcy z Uniwersytetu Teksańskiego dokonali odkrycia, które znacząco zmienia dotychczasowe wyobrażenie o działaniu feromonów - naturalnych substancji sygnałowych wytwarzanych przez wiele gatunków organizmów. Badania Amerykanów, oprócz posiadania oczywistego waloru poznawczego, mogą w znaczący sposób przyczynić się do rozwoju nowych metod walki z niekorzystnymi dla człowieka gatunkami owadów. Badacze zauważyli, że feromony, wbrew powszechnemu przekonaniu badaczy, nie wiążą się z neuronami bezpośrednio. Dla zajścia tego procesu potrzebne jest jeszcze białko zwane LUSH, wydzielane na zewnątrz komórek w owadzich czułkach. Aby sygnał zawarty w feromonie został przekonany do mózgu, molekuła ta musi zostać związana przez cząsteczkę białka. Dopiero powstały w ten sposób kompleks jest w stanie pobudzić komórki nerwowe i przekazać do mózgu informację wysłaną przez innego osobnika. Pod wpływem połączenia się z feromonem LUSH zmienia swój kształt i nabiera możliwości związania receptora, czyli "odbiornika" w neuronie. Istotę tego odkrycia tłumaczy dr Dean Smith, pracownik Szkoły Medycznej Uniwersytetu Teksańskiego: Gdybyśmy mogli ograniczyć tę interakcję, moglibyśmy skuteczniej kontrolować szkodniki atakujące nasze plony, insekty przenoszące malarię i wiele podobnych. W swoich badaniach Amerykanie skupili się na pojedynczym feromonie produkowanym przez muszkę owocową (Drosophila melanogaster), zwanym cVA. Jest on wytwarzany przez samce, lecz zdolność do jego odbioru posiadają osobniki obu płci. Służy on jako chemiczny sygnał gotowości do rozrodu oraz ułatwia odnajdowanie partnera przez samice. Badacze postanowili sprawdzić, w jaki sposób sygnał docierający do organizmu muszki jest przekazywany do układu nerwowego. Udział białka LUSH w przekaźnictwie informacji został potwierdzony już wcześniej, lecz do niedawna sądzono, że jego rola ogranicza się wyłącznie do transportowania feromonu w pobliże neuronu. Dzięki eksperymentom na modyfikowanych genetycznie insektach udowodniono jednak, że teoria ta nie była do końca poprawna. Aby to wykazać, wyhodowano odmiany muszek produkujące różne formy LUSH, różniące się między sobą podatnością na zmiany formy oraz kształtem. Ku zaskoczeniu badaczy okazało się, że specjalny wariant proteiny, zaprojektowany tak, by przypominał swym kształtem kompleks LUSH-cVA, ma zdolność do samodzielnego pobudzania układu nerwowego. Wykazano w ten sposób, że ani feromon, ani proteina nie są zdolne samodzielnej do aktywacji neuronów - zdolność taką posiada wyłącznie połączenie obu tych cząsteczek. Jak tłumaczy dr Smith, system przekaźnictwa sygnałów z wykorzystaniem feromonów funkcjonuje także u wielu innych gatunków owadów, co daje nadzieję na opracowanie środków zaburzających ich zachowanie i rozród oraz ograniczających ich szkodliwość. Wymaga to jednak, oczywiście, wielu badań nad specyficznymi dla konkretnych gatunków wariantami tego mechanizmu.

Apoptoza, czyli samobójcza śmierć komórki, odgrywa rolę w szeregu istotnych procesów w organizmie. Badania na embrionach muszek owocówek wykazały kolejną rolę tego zjawiska: obumierające komórki kurczą się, przyciągając sąsiednie komórki i generując siły niezbędne do formowania powstających tkanek. Podczas rozwoju zarodka muszki owocówki (Drosophila melanogaster) istotnym etapem jest zamknięcie szczeliny po stronie jego grzbietu. Badacze z Duke University obserwowali ten proces przez około dziesięć lat (!), zanim udało się ostatecznie wyjaśnić, w jaki sposób zachodzi ten tajemniczy, doskonale zsynchronizowany proces. Jak się okazało, siły wymagane do "ściągnięcia" krawędzi otworu są generowane przez kurczenie się komórek apoptotycznych. Jak tłumaczy szef zespołu badającego to zagadnienie, prof. Dan Kiehart, komórki kurczące się w przebiegu apoptozy na skutek utraty wody generują siłę, która powoduje stopniowe zbliżanie się do siebie komórek położonych w pobliżu "kącika" szczeliny. Dzięki temu, że "samobójcze" komórki są rozproszone w całej tkance i stanowią aż 10% całej populacji komórek znajdujących się w tym miejscu, umożliwia to przeprowadzenie procesu w ściśle skoordynowany sposób. Co ciekawe, sam Kiehart jeszcze 8 lat temu twierdził, że jeśli jest to tylko 10 procent, można to zignorować. Na pomysł, że ginące komórki mogą powodować powstawanie oddziaływań mechanicznych, wpadł dr Yusuke Toyama - fizyk z wykształcenia, od pewnego czasu zajmujący się biologią. To on zaobserwował z użyciem barwników fluorescencyjnych i mikroskopu sprzężonego z laserem, że komórki znajdujące się w pobliżu krawędzi szczeliny pociągają za sobą kolejne, gdy same kurczą się w przebiegu apoptozy. Jak tłumaczy Toyama, oznacza to, że apoptoza nie jest zjawiskiem związanym z jedną komórką, lecz jest wzmacniana przez pięć do siedmiu otaczających komórek. Z obliczeń wynika, że siły generowane przez śmierć komórek stanowią od jednej trzeciej aż do połowy całkowitej wartości siły powstającej podczas zamykania szczeliny na grzbiecie embrionu D. melanogaster. Oczywiście nie są to, delikatnie mówiąc, siły spektakularne - ich wartość to około miliardowej części niutona - lecz w zupełności wystarczają do przeprowadzenia tego procesu. Badacze szacują, że podobne zjawisko może zachodzić także u organizmów wyższych, być może nawet u człowieka. Kiehart i Toyama postulują, że apoptoza może brać udział w procesach takich, jak gojenie ran czy formowanie się organów wewnętrznych. O sukcesie naukowców z Duke University informuje najnowszy numer czasopisma Science.