Борцы сумасшедшие, но логика борьбы - всегда железная
У каждой борьбы есть своя железная логика, даже если из-за бесконечно трудной задачи она выглядит слегка сумасшедшей.
Так называемые сумасшедшие муравьи в непрестанном хаосе суетно борющиеся с переноской больших грузов - на самом деле успешно выполняют задачу ведомые координатором, указания которого беспрекословно исполняются. Растения «слышат» червей, тлей и прочих своих врагов по их «химическим беседам» и включают защитный механизм. А вот человеку придется продолжать начавшуюся чуть ли не с момента зарождения жизни на Земле борьбу с комарами неутешительно трудно и долго. Так как российско-американская группа ученых, исследовав комариный геном, выяснила, что средства борьбы с ними в виде тех или иных инсектицидов (или чего-то иного) нужно разрабатывать отдельно для каждой конкретной из множества популяций.
О по-своему интересной логике борьбы так называемых сумасшедших муравьев, защитной – на грани фантастики – системе растений и начавшегося еще с доисторических времен сражения человека с комарами повествуют изыскания ученых, результаты работы которых пересказывают СМИ в своих публикациях.
В частности, ученые из Израиля экспериментальным путем доказали, что в поведении так называемых сумасшедших муравьев, безусловно, имеется своя логика. Свой пересказ о результатах работы израильских исследователей по данной тематике, опубликованных в журнале Nature Сommunications, передает «Лента.ру».
«Прозвище «сумасшедшие» закрепилось за видом муравьев Paratrechina longicornis из-за кажущихся хаотичными передвижений. Давая подопытным муравьям предметы для транспортировки, авторы выяснили, что группа несущих груз насекомых легко сбивается с пути. Добраться до дома ей помогает муравей-координатор, принадлежащий к тому же гнезду и свободно блуждающий поблизости. Он подбегает к группе и толкает груз в требуемом направлении. Остальные носильщики начинают двигаться в ту же сторону.
Ученые отметили, что от координатора не требуется каким-либо образом заявлять о своем лидерстве. Команда беспрекословно его слушается. Заданный импульс передается всем муравьям через груз и выступает единственным способом коммуникации.
Однако со временем координатор также забывает дорогу домой.Тогда кто-то из свободно бегающих рядом муравьев берет на себя его роль и подбегает к группе, чтобы толкнуть ее в нужном направлении. Так груз оказывается в муравьином гнезде.
Авторы выдвинули тезис, что «сумасшедший» муравей приблизительно 90 процентов времени ведет себя как конформист и действует так же, как и вся группа, а 10 процентов - как нонконформист и принимает самостоятельное решение.
Чем больше группа, которая переносит предмет, тем сложнее насекомым проявлять индивидуальность, выступая координатором. В рамках эксперимента муравьям стали давать очень тяжелые по их меркам предметы, двигать которые они могли только, собравшись в большом количестве. Траектория, по которой перемещался груз, оказалась очень ровной. Однако как только на пути появлялось препятствие, муравьи не могли его обогнуть. Оптимальным образом созданная насекомыми система координации действий работала, когда они переносили груз, приблизительно сопоставимый по весу с тем, который они передвигают в обычной жизни,- повествуется в пересказе «Ленты.ру» работы израильских ученых.
Ну, а исследователи из Института растений Бойса Томпсона в статье в Nature Communications описывают выглядящий несколько фантастично защитный механизм растений, по которому они, что называется, «слышат» червей, тлей и прочих своих врагов по их «химическим беседам».
Свой пересказ об этом, несомненно, удивительном открытии ученых предлагает «Наука и жизнь».
«Почувствовав червей, роющихся в почве, растения включают защитные механизмы, которые срабатывают не только против червей, но заодно и против бактерий, вирусов и грибов.
То, что у деревьев, кустарников и трав есть аналог иммунной системы, давно не новость: учитывая изобилие травоядных животных и прочих организмов, питающихся растительными тканями, было бы странно, если бы растения в ходе эволюции не научились давать «симметричный ответ». (В дальнейшем мы будем говорить об иммунитете растений, однако следует помнить, что растительные защитные реакции сильно отличаются от чехарды лимфоцитов, антител, сигнальных белков-цитокинов и пр., что мы можем наблюдать в животных организма.)
Механизмы ответа на внешнюю угрозу со временем становились всё более изощрёнными: например, тлей растения узнают по белкам, которые выделяют симбиотические бактерии этих насекомых. С другой стороны, функции растительного иммунитета разрастались и усложнялись: буквально на днях мы писали о том, что же самые вещества, которые в листьях и побегах уничтожают всякое бактериальное вторжение, в корнях действуют иным, более сложным образом, благоприятствуя одним почвенным микробам и отпугивая других.
Как же растения могут почувствовать вредителя? Например, по запаху, точнее, по химическим сигналам, испускаемым вредителями. В своей статье в Nature Communications Дэниэл Клессиг (Daniel Klessig) из Института растений Бойса Томпсона и его коллеги пишут, что растения могут чувствовать феромоны круглых червей нематод, живущих в почве и питающихся растительными соками. Нематод существует великое множество и распространены они повсеместно, некоторые из них безвредны, некоторые же ведут паразитический образ жизни и могут причинить много неприятностей хозяину, будь то животное или растение. Общаются черви с помощью веществ под названием аскарозиды, выделяемых во внешнюю среду. Сейчас известно около 200 аскарозидов, они влияют на поведение и развитие нематод и являются важной и достаточно древней системой химической коммуникации.Исследователи выбрали несколько особо вредных для растений нематод и проанализировали, что за химические вещества они выделяют. Оказалось, что все эти особо опасные вредители синтезируют один и тот же аскарозид ascr#18. Когда его добавили в воду, в которой стояли растения томатов, картофеля, ячменя и Arabidopsis thaliana, то оказалось, что у всех них активировались защитные механизмы против соевой цистообразующей нематоды и корневой галлообразующей нематоды, из-за которых на корнях появляются характерные корневые наросты. Кроме того, увеличилась устойчивость к патогенным грибам, бактериям, вирусам, а также к простейшим оомицетам, вызывающим фитофторозы – одни из самых тяжёлых и убыточных заболеваний растений. По словам авторов работы,
для усиления растительной защиты было достаточно совсем небольшого количества феромона нематод, и даже не обязательно было ставить корни в воду с ним, можно было просто обрызгать раствором листья и побеги.
В дальнейшем, разумеется, предстоит выяснить, как растения «подслушивают» химические беседы червей, какие рецепторы на растительных клетках играют тут свою роль и т. д. Здесь можно вспомнить другую работу, опубликованную в 2012 году в журнале PNAS. В ней исследователи из Пенсильванского университета тоже говорили о том, что растения золотарника высочайшего могут чувствовать брачные феромоны своего вредителя, золотарниковой мухи-пестрокрылки Eurosta solidaginis: почувствовав химический брачный призыв самца, растение выделяет какие-то свои ароматические сигналы, отпугивающие мушиных самок, чтобы они не размножались на золотарнике. Но вообще, если говорить о чувствительности растений, то самой странной здесь, пожалуй, остаётся прошлогодняя работа из журнала Oecologia – в ней говорится, что растения чувствуют механические вибрации, производимые гусеницами, которые грызут листья, и в ответ на нападение повышают в листьях содержание разных невкусных веществ, - повествуется в материале «Науки и жизни».
А вот человеку придется продолжать начавшуюся чуть ли не с момента зарождения жизни на Земле борьбу с комарами неутешительно трудно и долго. Так как российско-американская группа ученых, исследовав комариный геном, выяснила, что средства борьбы с ними в виде тех или иных инсектицидов (или чего-то иного) нужно разрабатывать отдельно для каждой конкретной из множества популяций.
Об этом сообщается в материале на сайте «Элементов».
«Наши обычные комары-пискуны Culex pipiens представлены двумя формами — «городской» и «природной». Эти формы не различимы по внешним признакам, но существенно различаются по образу жизни. Российско-американская группа исследователей изучила, какие участки генома подвержены действию естественного отбора у комаров разных форм, населяющих разные местообитания в Центральной России и в Калифорнии. Таких участков оказалось до 20%, причем около половины из них относились к некодирующим последовательностям, по-видимому влияющим на работу других генов. Самый же главный результат работы — то, что набор подверженных отбору участков генома определяется географической близостью, а не принадлежностью к экологической форме или типом местообитания.
Борьба человечества с патогенами и их разносчиками — лишь продолжение длящейся едва ли не с самого зарождения жизни на Земле коэволюционной «гонки вооружений» паразитов и хозяев. И даже вся мощь науки не помогает человеку выйти безусловным победителем в этой борьбе с естественным отбором, несмотря на отдельные очевидные успехи. В этой «гонке вооружений» нашими противниками оказываются не только патогенные организмы, непосредственно вызывающие заболевания, но и их переносчики — векторы. Например, комары не только докучают нам своими укусами, но могут и заразить нас чем-нибудь не очень приятным.
Наиболее распространенные у нас комары из комплекса Culex pipiens (комар обыкновенный) могут переносить опасные патогены вроде вируса Западного Нила и филярий (к счастью, в Россию они еще не проникли). В этот комплекс входит «северный» вид C. pipiens pipiens и «южный» C. p. quinquefasciatus. При этом первый представлен двумя экологическими формами: pipiens («дикой») и molestus («городской»). Последняя форма отличается рядом поведенческих признаков. Во-первых, у «городских комаров» нет зимней диапаузы (грубо говоря, они не впадают «в спячку»), поэтому в умеренном климате они ищут местообитания, доступные для круглогодичной жизни и размножения (для этого хорошо подходят протечные подвалы), докучая людям в многоэтажках даже зимой. Во-вторых, им свойственна автогамия: самки могут отложить первую кладку без кровососания (а кровь используется комарами как источник белка, необходимого для развития яичников — именно поэтому кровь сосут только самки). В-третьих, они предпочитают человека птицам, в отличие от «дикой» формы pipiens.Долгое время вопрос о точных механизмах адаптации к сколько-нибудь сложным условиям среды казался биологам неразрешимым. В качестве ответа обычно говорилось что-то вроде: «адаптация носит комплексный характер и происходит за счет действия отбора на множество генов». Однако развитие технологий секвенирования и биоинформатических методов анализа последовательностей ДНК теперь позволяет выявлять геномные «следы отбора» (в англоязычной научной литературе их называют signatures of selection, см., например, статью R. Nielsen, 2005. Molecular Signatures of Natural Selection) и определять, какие же именно гены (точнее, участки генома) подвергались в недавнем прошлом действию отбора.
Сложность применения этих методов состоит в том, что даже при отсутствии отбора (или каких-либо иных отягчающих обстоятельств вроде резких изменений численности популяции) геномные последовательности всё равно будут меняться — за счет генетического дрейфа, действующего как «эволюция по умолчанию».
В основном детекция отбора основана на том факте, что, распространяясь в популяции, благоприятствуемый генный вариант «тащит» вместе с собой и те варианты, которые оказались рядом с ним у самых первых носителей. В результате изменчивость вокруг отбираемого места в геноме оказывается обедненной — это явление получило название «выметание отбором» (Selective sweep). Детекция отбора стала новым направлением эволюционных исследований, направленных на выявление генетических механизмов комплексных адаптаций.
Международная группа ученых из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе и с кафедры биологической эволюции МГУ применили эти методы для анализа популяционной структуры и естественного отбора, действующего на географически разделенные популяции комаров. Выборки в несколько десятков и сотен особей были взяты из восьми популяций, относящихся к трем географическим регионам: Москва и Подмосковье, Алексинский район Тульской области и калифорнийский город Сакраменто с окрестностями. Популяции разделили на «городские» и «природные». Эти эпитеты не стоит понимать слишком буквально: например, в Алексинском районе «городские» комары были собраны из очистных прудов Алексина (рис. 2), а вовсе не из подвалов, а «природные» — из бочек с дождевой водой в деревне.Различить эти две экологические формы по морфологическим признакам невозможно, поэтому их идентифицировали по молекулярным данным, использовав для этого последовательности I субъединицы цитохромоксидазы c (см. Cytochrome c oxidase subunit I) и микросателлитного (см.: Analysis of microsatellites) локуса CQ11. При этом две пробы, взятые из Подмосковья, состояли из близкого вида Culex torrentium, заместившего в этом регионе Culex pipiens.
«Выметание отбором» в обсуждаемой работе искалось двумя путями. Во-первых, использовался показатель Tajima’s D (см. также пост Nucleotide Polymorphism and Selection), сравнивающий две оценки так называемого «популяционного параметра» — произведения частоты мутаций на эффективную численность популяции. Первая оценка основана на числе сегрегирующих сайтов (то есть таких сайтов, в которых набор аллелей различался хотя бы в двух из исследованных популяций), а вторая — на среднем числе различий между парами копий генов. Во-вторых, был применен метод поиска отбора в смешанной выборке с помощью скрытых марковских цепей (Hidden Markov model, HMM) — Pool-HMM.
Сначала был получен спектр аллельных частот для всего генома в предположении о нейтральном характере эволюции, а дальше исследователи искали отклонения в этом спектре, характерные для выметания отбором. Такие отклонения — малое количество вариабельных сайтов, очень большая или очень маленькая частота производных аллелей, измененная структура неравновесия сайтов по сцеплению — были затем найдены в общей выборке всех особей каждой популяции. Все эти методы довольно чувствительны к прошлым изменениям в численности популяции, однако моделирование изменений вероятности рекомбинации близлежащих сайтов с помощью скрытых марковских процессов позволяет получить реалистичные приближения (подробнее см. статью S. Boitard, C. Schlötterer, A. Futschik. 2009. Detecting selective sweeps: a new approach based on hidden Markov models).
Геномы изучаемых видов не пришлось собирать заново, так как известный геном «южного» комара C. quinquefasciatus оказался достаточно близким, чтобы отсеквенированные фрагменты ДНК удалось картировать на него (см.: De-novo vs. mapping assembly).
Собранные выборки комаров секвенировали целиком, без разделения на отдельных особей. Таким образом, полученные данные могли показать, что, допустим, в некоем сайте №1 в популяции бывают нуклеотиды А и Т, а в сайте №2 — Т и Г, но не позволяли узнать, насколько распространены в популяции генотипы А..Т, А..Г, Т..Т и Т..Г.
Всего было обнаружено 6,7 миллионов сайтов, сегрегирующих между популяциями. С учетом размера отсеквенированной части генома это дает один сегрегирующий сайт на каждые 69 нуклеотидов. Близость популяций определяли двумя способами: по межпопуляционной разнице Fst (fixation index) и по филогенетической близости. В обоих случаях близость комаров внутри вида Culex pipiens определялась географией, а не типом местообитания или экологической формой. Это вполне согласуется с гипотезой о том, что локальные популяции molestus’ов вычленяются из местных pipiens’ов (такое ранее было показано для американских комаров, однако в Европе, согласно ранее опубликованным сведениям, эти две формы разошлись давно), либо же эти две формы могут активно гибридизироваться. Подмосковные C. torrentium, как и следовало ожидать, больше всего отличались от остальных выборок. При этом городские комары оказались генетически более единообразны, чем их дикие сородичи — независимо от географии.
Отбору в разных популяциях оказалось подвержено от 5 до 20% генома, около половины (35–50%) из подотборных участков оказались некодирующими — видимо, изменения в них регулируют работу других генов.
Чтобы выявить зависимость действующего на популяции отбора от географической или экологической близости, исследователи применили метод главных компонент. Здесь также была обнаружена сильная региональная специфика.
Одна из основных проблем методов детекции отбора, основанных на аллельных спектрах, состоит в том, что к популяционной истории в геноме могут быть чувствительны схожие паттерны изменчивости и что они могут не различать положительный и очищающий отбор. Если первый благоприятствует новым мутациям, то второй работает против них; примерными аналогами положительного и очищающего отбора в школьном курсе биологии являются движущий и стабилизирующий отбор.
Из полученных результатов видно, что регионы, подверженные отбору, отличаются не только пониженной общей изменчивостью, но и повышенной долей несинонимичных замен по отношению к синонимичным. Причем эта доля повышается за счет «недостачи» синонимичных замен. Возможно, причина этого в том, что синонимичная изменчивость в первую очередь накапливается при отсутствии движущего отбора — и поэтому отбор «выметает» в основном ее.
В то же время популяции C. torrentium показывают именно повышение числа несинонимичных замен, которое, к тому же, не зависит от количества синонимичных замен в геномном регионе. Это неожиданно, так как несинонимичные замены, поддерживаемые отбором, берутся из того же источника, что и поддерживаемые дрейфом синонимичные — из имеющейся изменчивости. Авторы связывают это с тем, что популяция этого вида в Подмосковье значительно увеличилась в численности за последние десять лет и поэтому еще не успела накопить соответствующую ее нынешней численности нейтральную изменчивость (так же как и люди — генетически довольно однообразный вид, еще не «оправившийся» после «бутылочного горлышка», пережитого несколько десятков тысяч лет назад). Отбор у этих комаров в основном подхватывает вновь возникшие мутации (так называемое «жесткое выметание»), а не выбирает из уже имеющихся полиморфизмов (более распространенное «мягкое выметание»).
Интересные результаты были получены в отношении предположительно «консервативных», крайне необходимых для функционирования организма генов. Во всех популяциях под действием движущего отбора оказались крайне консервативные белки — гистоны, участвующие в образовании хромосом. В особенности регион, содержащий гистон H1 (Histone H1). Гистон H1 — наименее консервативный из гистонов, и кодирующий его ген — наиболее полиморфный. Состоит этот белок из трех доменов: богатого лизином C-концевого домена, связывающегося с линкерной ДНК (см. Linker DNA); центрального глобулярного G-домена с доменом winged helix, связывающимся с нуклеосомой; и N-концевого домена с не до конца изученными функциями. Самый эволюционно консервативный из них — G-домен, наиболее изменчивый — N-домен. Соответственно, несинонимичных мутаций оказалось меньше всего — в G-домене, а больше всего — в N-домене. Ничего удивительного, поскольку несинонимичные мутации так же редко встречались в регулярных вторичных структурах и в «погруженных» позициях, а из этих элементов в основном и состоит G-домен. Также крайне редко в «погруженных» позициях встречались мутации, меняющие заряд аминокислоты. Около 90% замен, приводящих к появлению или исчезновению аминокислот серина и треонина, встречались во внешних областях молекулы, что позволяет считать их потенциальной мишенью для эпигенетических модификаций.
После замены в гистоне H1 чаще всего оказывалась аминокислота пролин. Интересно, что позиции, в которых появлялся пролин, гораздо более постоянны от популяции к популяции для G-домена, чем для N-домена. Среди позиций, на которых пролин оказывался в G-домене, во многих популяциях 78,6% оказались заняты пролином. И, напротив, только 17,5% тех позиций в N-домене, где может располагаться пролин, были заняты пролином больше чем в одной популяции. Таким образом, мы можем предположить, что замены на пролин в N-домене являются скорее нейтральными, в то время как замены в G-домене происходили в специфических позициях и, скорее всего, под действием отбора. В основном эти замены происходили в нерегулярных участках, соединяющих регулярные структуры и структуры на границах доменов.Анализ биохимических и структурных свойств аминокислот в полиморфных сайтах позволяет предположить, что замены на пролин в G- и C-доменах гистона H1, возможно, модифицируют взаимную ориентацию регулярных структур или изменяют гибкость/жесткость существующих структур без разрушения третичной структуры белка и его функции. Поскольку комары Culex pipiens, а также Culex torrentium зимуют на стадии имаго и имеют очень большую гибель на зимовках, можно предположить, что любая мутация, позволяющая расширить диапазон температур, переносимый организмом без повреждения ДНК, может быть подхвачена отбором. Такую точку зрения поддерживает наличие пролиновых замен как у C. pipiens, так и у C. torrentium, причем в разных позициях, что еще раз свидетельствует о репродуктивной изоляции этих видов.
Еще один неожиданный вывод данной работы: большое количество функций, выполняемых геном, не препятствует его эволюции. В каждой из восьми популяций более половины из 129 сигнальных путей, описанных в Киотской энциклопедии метаболических путей KEGG, были подвержены действию положительного отбора. Среди них были сигнальные пути, отвечающие за самые разные базовые функции, начиная с биосинтеза аминокислот и гликосфинголипидов, а также другие сигнальные пути: Notch, Jak-STAT и MAPK. Кроме того, количество метаболических путей, в которых участвует ген, никак не кореллирует ни с количеством популяций, в которых он подвергается отбору, ни с силой этого отбора.
Что же говорит нам это исследование о происходящей здесь и сейчас эволюции комаров? Адаптации в значительной мере оказываются локальными: алексинские комары (обеих форм и населяющие разные местообитания) имеют один набор поддерживаемых отбором генных вариантов, московские — другой, а калифорнийские — третий. И принадлежность к той или иной экологической форме или жизнь в том или ином биотопе не позволяют предсказывать эволюционную судьбу популяции. Вывод этот, надо сказать, неутешительный: из него следует, что меры по борьбе с комарами (например, чувствительность к тем или иным инсектицидам) должны разрабатываться под каждую конкретную популяцию, а в идеале — начинаться с геномного исследования,- повествуется в материале на сайте «Элементов».