Шестое чувство – электрическое Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

3 НАУКА В КАРТИНКАХ_

МИР ГЛАЗАМИ НАУКИ

Шестое чувство электрическое

Когда естественный отбор работает в одном и том же направлении, а необходимые генетические «кирпичики» имеются в наличии, то в разных систематических группах могут произойти эволюционные события, повторяющие друг друга с удивительной точностью. Один из наиболее показательных примеров в этом отношении - так называемые слабоэлектрические рыбы, относящиеся к двум семействам: африканскому Mormyroidea и южноамериканскому Gymnotiformes.

Эти удивительные создания практически незнакомы широкой общественности, однако именно их исследования в течение последних десятилетий стали основой не одного прорыва в области нейробиологии. А не так давно слабоэлектрическими рыбами заинтересовались и специалисты в области эволюционной биологии, которые стараются понять, каким образом и за какое время формируются сложные признаки, чтобы пролить свет на эволюцию нервной системы, в том числе взаимодействие между новшествами в коммуникации и разнообразием видов.

Слабоэлектрические рыбы мормирусы и гимноты обитают в мутных пресноводных водоемах влажной тропической зоны, где ведут ночной образ жизни. Скелетные мышцы хвостовой части их тел формируют сложный электрический орган, который генерирует сигналы разного вида и формы, а на голове имеются электрические рецепторы, некоторые из которых можно увидеть невооруженным глазом. Часть этих рецепторов регистрирует и расшифровывает изменения собственного электрического поля: это

Слева вверху - М. Арнегард в каноэ на р. Окано (Африка).

Фото Д. Т. Рейда

Слева - осциллограммы электрических импульсов

шести близкородственных видов мормирусов, обитающих в р. Окано

(Африка). По горизонтали время, по вертикали вольтаж.

Форма импульса у каждой рыбы своя.

По ней рыбы выбирают себе партнера для спаривания.

Отметим краткую продолжительность импульсов - от одной до трех миллисекунд. Этот коллаж М. Арнегарда получил третье место на Национальном конкурсе США БиоАрт (спонсор - Федерация американских обществ по экспериментальной биологии, FASEB). Публикуется с разрешения FASEB

Кроме слабоэлектрических рыб мормирусов и гимнот, среди рыб есть и другие виды, сформировавшие электрические органы из скелетных мышц, - электрические скаты рода Torpedo, звездочеты и электрические сомы. С помощью этих органов, дающих более сильные разряды, рыбы оглушают свою добычу

Malapterurus oguensis, один из нескольких близкородственных видов электрических сомов, обитающий в Африке. Фото М. Арнегарда

© М. Арнегард, Д. Цвикл, Й. Лу,

Х. Закон, 2012

101

НАУКА В КАРТИНКАХ

—.—.___I

В небольших речушках исследователи отслеживают особей мормирусов нужного вида и пола с помощью электрода, усилителя и осциллографа.

Фото П. Макинтайра

своего рода комбинированное чувство, сочетание слуха и дистанционного осязания, позволяет рыбам «видеть» свой путь в темноте.

Посылая и принимая электрические послания, мор-мирусы и гимноты могут демонстрировать агрессию и готовность к спариванию. Они являются своеобразной «визитной карточкой», позволяя электрическим рыбам без ошибки узнавать особей того же вида, тем самым уменьшая вероятность спаривания с чужаками.

Ряд морфофизиологических особенностей слабоэлектрических рыб делают этих животных особо ценной моделью для нейробиологических исследований. В частности, их электрические органы богаты ключевыми нейротрансмиттерными рецепторами и ионными каналами, необходимыми для работы мышц и нервной системы. Более того, биоэлектричество играет в жизни этих животных двоякую роль: это и «валюта» для обмена информацией внутри нервной системы, и энергия, с помощью которой рыбы воспринимают окружающую среду и посылают сообщения другим особям. Вышеперечисленное означает, что слабоэлек-

трическим рыбам не требуется никаких специальных форм преобразования энергии, поскольку внешние электрические импульсы непосредственно передаются в нервную систему.

Биологам, работающим с этими рыбами, пришлось подучить электротехнику. Интересно, что нервная цепь, которая позволяет электрическим рыбам избежать электрических «пробок» при взаимодействии с соседями, оказалась первой поведенческой нервной цепью позвоночных, которая была проработана в полном объеме - от ввода информации, ее централизованной обработки и заканчивая двигательной реакцией на выходе. Работа с электрическими рыбами позволила пролить свет и на целый ряд общих нейробиологических функций, в том числе адаптивную обработку реально поступающей информации на основе ожидаемой, точную временную оценку быстро меняющихся сигналов и гормональную модуляцию нервных контуров.

t

Торговка съестным из племени Бабонго продает маленького крокодильчика у дороги, проходящей через влажный тропический лес в северо-восточном Габоне. Жители в лесных дебрях Африки высоко ценят электрических рыб как обильную и вкусную пищу. Фото М. Арнегарда

Несмотря на независимую эволюцию, электрические органы мормирусов и гимнот - производные мышечной ткани, демонстрируют удивительную схожесть, так же как их электросенсорные системы и общий вид в целом. По: (Lavoue et al. 2012)

Весь этот кладезь знаний о работе нервной системы электрических рыб и их систематическое разнообразие сделали эти создания превосходной моделью для эволюционных исследований. Недавно на основании анализа последовательностей ДНК с использованием метода молекулярных часов было высказано предположение (Lavoue et al. 2012), что в каждой из групп слабоэлектрических рыб на преобразование сократительных мышц в полноценный функциональный электрический орган ушло примерно 15—25 млн лет. Оказалось, что в этом эволюционном процессе у обеих групп принял участие один и тот же ген - результат дупликации (удвоения) одного из генов, ответственных за работу натриевого канала. Ген-дубль образовался примерно за 100 млн лет до того, как окончательно выделились эти две систематические группы слабоэлектрических рыб (Arnegard et al, 2010) .

Таким образом, благодаря всего лишь одной дупликации гена эволюционное новообразование было продублировано в совершенно разных, неродственных группах организмов. Более того, оказалось, что аминокислотные замены в результате позитивного отбора по этому гену у электрических рыб затронули те же сайты, где происходят нежелательные замены, приводящие к развитию сердечных или неврологических заболеваний у человека.

Недавно африканские мормирусы стали объектом изучения еще одной группы биологов-нейроэволюцио-нистов, которые пытаются выяснить, как нововведения в коммуникации могут влиять на скорость видообразования (Carlson et al, 2011).

Оказалось, что способность генерировать электрические сигналы новых типов в сочетании с новой возмож-

ностью среднего мозга распознавать тонкие изменения сигнала позволила мормирусам существенно обогатить обмен информацией. В свою очередь, эта инновация в сфере электросенсорной коммуникации запустила каскадное образование новых видов, демонстрируя тем самым важную роль общения между особями в увеличении биоразнообразия.

Последние достижения в области генетических и геномных технологий, которые нейробиологи применяют и будут применять при исследовании слабоэлектрических рыб, помогут получить новые знания о механизмах эволюции мозга, происхождении новых систем коммуникации и их влиянии на увеличение разнообразия жизни на нашей планете.

М. Арнегард (Центр исследования рака Фреда Хатчинсона, Сиэтл, США), Д. Цвикл (Аризонский университет, США), Й. Лу и Х. Закон (Техасский университет, Остин, США)

Литература

Arnegard M. E. et al. Old gene duplication facilitates origin and diversification of an innovative communication system-twice // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. V. 107. P. 22172-22177.

Carlson B.A. et al. Brain evolution triggers increased diversification of electric fishes // Science. 2011. V. 332. P 583-586.

Lavoue S. et al. Comparable ages for the independent origins of electrogenesis in African and South American weakly electric fishes//PLoS ONE 7.2012. e36287.

103

^ НАУКА В КАРТИНКАХ

Наноконструктор: сделай сам

Эти необычные архитектурные конструкции созданы из миллионов углеродных нанотрубок. Размер многих фигур превышает десятки мкм, в то время как диаметр одной нанотрубки составляет лишь около 10 нм, что более чем в 1000 раз тоньше человеческого волоса. Сами нанотрубки были синтезированы на кремниевой плите с использованием газофазного химического процесса при температуре свыше 700 °C. Придать этим наноматериалам форму сложных геометрических фигур удалось, используя процесс капиллярной самосборки: капиллярные силы, связывая углеродные нанотрубки, реорганизуют их совокупность в трехмерную упаковку высокой плотности.

Тщательно контролируя процесс самосборки, можно создавать небольшие структуры сложной геометрической формы: конусы, решетки, спирали, изогнутые балки и т.д. На основе этих элементов, повторяя этапы синтеза нанотрубок и шаги капиллярной самосборки, можно создавать еще более сложные конструкции. Например, микропружины, которые могут стать основой новых уникальных метаматериалов.

Эта технология привлекательна тем, что микроструктуры на основе нанотрубок можно производить с высокой скоростью и при сравнительно низких затратах. При этом получаемые конструкции наследуют такие важные свойства исходного наноматериала, как высокие электро- и теплопроводность и химическая устойчивость.

М. Де Вольдер (Межуниверситетский центр микроэлектроники и Католический университет Лувена, Бельгия),

С. Тофик, А.Д. Харт (Мичиганский университет, США)

Литература

De Volder M. F. L. et al. Corrugated Carbon Nanotube Microstructures with Geometrically Tunable Compliance //ACS Nano. 2011. № 5 (9). P 7310-7317.

Методом капиллярной самосборки из углеродных нанотрубок

можно получить разнообразные микроконструкции. © м. Де В0льдер, C. Т0фик,

Сканирующая электронная микроскопия. Фото публикуется а.Д. Харт, 2012

с разрешения авторов и Общества по изучению свойств материалов (США) - организатора конкурса «Наука как искусство».

Image Courtesy of the Materials Research Society Science-as-Art Competition and M. De Voider (imec and KULeuven, Belgium), S. Tawfickand A.J. Hart (University of Michigan)

105