Αντίγραφα ζώων αποκαλύπτουν τις ρίζες της ατομικότητας

Αποθήκευση

Το εργαστήριο του Benjamin de Bivort στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ είναι η Ημέρα του Groundhog για μύγες φρούτων. Στην έκδοση του de Bivort, μια μύγα πρέπει να επιλέξει να περπατήσει σε ένα σκοτεινό τούνελ ή σε ένα φωτισμένο. Μόλις κάνει την επιλογή — THWOOP! — ένα κενό ρουφάει τη μύγα πίσω στο σημείο εκκίνησης, όπου πρέπει να αποφασίσει ξανά… και ξανά… και ξανά.

Το μηχάνημα, το οποίο παρακολουθεί δεκάδες μεμονωμένες μύγες, καθιστά δυνατή την ανάλυση του τρόπου με τον οποίο η συμπεριφορά ποικίλλει από μύγα σε μύγα. Αυτό που διαπίστωσε ο de Bivort όταν το χρησιμοποίησε για πρώτη φορά τον εξέπληξε:Η συμπεριφορά των ζώων διέφερε πολύ περισσότερο από ό,τι περίμενε, ακόμη και όταν οι μύγες ήταν λίγο πολύ γενετικά πανομοιότυπες και ανατράφηκαν κάτω από τις ίδιες συνθήκες. "Εάν κρατάτε σταθερή τη γενετική και το περιβάλλον ως επί το πλείστον σταθερό, εξακολουθείτε να βλέπετε πολλές παραλλαγές", είπε ο de Bivort.

Ο De Bivort και η ομάδα του εξερευνούν τώρα αυτό το φαινόμενο λεπτομερώς, ελπίζοντας να ανακαλύψουν τι οδηγεί αυτή την απροσδόκητη ατομικότητα. Διαπίστωσε ότι διαφορετικά στελέχη μύγας παρουσιάζουν διαφορετικά επίπεδα μεταβλητότητας. Μερικά στελέχη είναι σαν ένα στράτευμα καλά εκπαιδευμένων στρατιωτών, με κάθε μύγα να αντικατοπτρίζει τον γείτονά της. Άλλα στελέχη μοιάζουν με μια άγρια ​​ομάδα χορευτών, με τα άτομα να κινούνται στο δικό τους ρυθμό. Συγκρίνοντας τα στελέχη του στρατιώτη και του χορευτή, ο de Bivort πιστεύει ότι έχει εντοπίσει ένα γονίδιο και ένα νευρικό κύκλωμα που μπορεί να αποτελούν τη βάση για ορισμένες από αυτές τις διαφορές.

"Υποδηλώνουν ότι η ίδια η παραλλαγή μπορεί να είναι ένα γενετικό χαρακτηριστικό", δήλωσε ο Gerd Kempermann, νευροβιολόγος στο Γερμανικό Κέντρο Νευροεκφυλιστικών Νοσημάτων στη Δρέσδη. «Αυτή είναι μια νέα και ενδιαφέρουσα ανατροπή». Με άλλα λόγια, η φυσική επιλογή μπορεί μερικές φορές να ευνοεί γενετικές παραλλαγές που παράγουν ένα μείγμα συμπεριφορών - τους άγριους χορευτές - έναντι των παραλλαγών που δημιουργούν τα ίδια αποτελέσματα.

Katherine Taylor για το Quanta Magazine

Βίντεο: Η ομάδα του De Bivort ανέπτυξε μια συσκευή που ονομάζεται fly-vac για τη μελέτη της ατομικής συμπεριφοράς. Κατά την είσοδο σε έναν θάλαμο, η μύγα πρέπει να επιλέξει να περπατήσει προς το φωτεινό ή το σκοτεινό άκρο. Στη συνέχεια, ένα κενό το ρουφάει πίσω στο σημείο εκκίνησης και κάνει ξανά την επιλογή.

Το έργο του De Bivort είναι μέρος μιας ευρύτερης προσπάθειας για να κατανοήσουμε γιατί η φύση παράγει τόση μεταβλητότητα. Είναι απλώς μια παρενέργεια των τυχαίων μεταλλάξεων που επηρεάζουν όλα τα ζωντανά όντα; Ή μήπως η φυσική επιλογή ανταμείβει τη μεταβλητότητα και ευνοεί τις μεταλλάξεις που την παράγουν; Ένας διαφορετικός πληθυσμός μπορεί να είναι πιο πιθανό να επιβιώσει στις μεταβαλλόμενες συνθήκες. Μια συστάδα δέντρων που σπέρνει σε διαφορετικές χρονικές στιγμές κατά τη διάρκεια της σεζόν είναι πιο ανθεκτική σε πρώιμο παγετό ή καθυστερημένες βροχές από μια συστάδα που διασκορπίζει όλους τους σπόρους της ταυτόχρονα.

«Το αν η ίδια η διακύμανση είναι ένα χαρακτηριστικό που μπορεί να ποικίλλει μεταξύ ατόμων ή γονότυπου έχει σημαντικές επιπτώσεις και είναι δυνητικά συναρπαστικό, αλλά είναι πολύ δύσκολο να μελετηθεί», δήλωσε η Alison Bell, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Illinois, Urbana-Champaign. Η σύγκριση γενετικά πανομοιότυπων, ή σχεδόν πανομοιότυπων, γραμμών μυγών, όπως κάνει ο de Bivort, «είναι πραγματικά η καλύτερη τακτική για να απαντήσετε σε αυτήν την ερώτηση».

Μια κακή φυλή

Τα κοτόπουλα Buff Orpington είναι τα lapdogs του κόσμου των κοτόπουλου, γνωστά για την εξαιρετική φιλικότητα τους. Αλλά η φυλή περιστασιακά εκκολάπτει ένα τρελό κλάκερ, προς μεγάλη απογοήτευση των κτηνοτρόφων. Οι Buffs δεν είναι μόνοι. Αυτό το είδος παραλλαγής είναι ευρέως διαδεδομένο τόσο στο αγρόκτημα όσο και στο εργαστήριο. Οι επιστήμονες που εκτρέφουν ποντίκια ή μύγες για έρευνα έχουν αντιμετωπίσει παρόμοια προβλήματα - ακόμη και οι μύγες φρούτων που εκτρέφονται υπό καλά ελεγχόμενες συνθήκες διαφέρουν ως προς τη συμπεριφορά τους. Παρά τις καλύτερες προσπάθειες των ερευνητών να το περιορίσουν, εξακολουθούν να υπάρχουν μεμονωμένες διαφορές.

«Για τους περισσότερους ανθρώπους, είναι μια γραμμή σφαλμάτων στα πειράματα», είπε ο de Bivort. Οι επιστήμονες περιλαμβάνουν συνήθως μεγάλους αριθμούς ζώων για να εξομαλύνουν τον θόρυβο από μεμονωμένες διαφορές.

Εκεί που οι περισσότεροι επιστήμονες βλέπουν ένα πρόβλημα, ο de Bivort είδε ευκαιρία. Η εστίαση σε ομάδες ζώων και όχι σε άτομα αγνοεί δέσμες δυνητικά ενδιαφέρουσες πληροφορίες. Για παράδειγμα, φανταστείτε μια ομάδα μυγών που, κατά μέσο όρο, πετούν προς το φως ή το σκοτάδι σε ίση αναλογία. Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να οφείλεται στο ότι μεμονωμένες μύγες δεν έχουν προτίμηση, επιλέγοντας κάθε επιλογή τυχαία. Ή μεμονωμένες μύγες μπορεί να έχουν ισχυρές προτιμήσεις, με τη συνολική ομάδα να αποτελείται από 50 τοις εκατό λάτρεις του φωτός και 50 τοις εκατό λάτρεις του σκοτεινού.

Η ομάδα του De Bivort ξεκίνησε να διακρίνει αυτές τις δυνατότητες χρησιμοποιώντας μια σειρά συσκευών που έχουν σχεδιαστεί για την παρακολούθηση της ατομικής συμπεριφοράς. Η Ημέρα του Groundhog Το gadget — που επίσημα ονομάζεται fly vac — περιέχει 32 θαλάμους. Κάθε θάλαμος παρακολουθεί μία μόνο μύγα. Τα εργαλεία αυτόματης παρακολούθησης καταγράφουν δεδομένα για μια ποικιλία συμπεριφορών, όπως η προτίμηση στο φως ή το σκοτάδι, ο χρόνος που χρειάζεται για να ληφθεί μια απόφαση και το συνολικό επίπεδο δραστηριότητας της μύγας. Κατά τη διάρκεια μιας δίωρης δοκιμής, κάθε μύγα μπορεί να κάνει έως και 40 επιλογές. Το πειραματικό σύνολο παρέχει στους ερευνητές έναν τεράστιο όγκο δεδομένων.

Σε μια άλλη συσκευή στο εργαστήριο του de Bivort, μια μύγα περιφέρεται σε έναν μικροσκοπικό λαβύρινθο σε σχήμα Υ, επιλέγοντας στην κορυφή του Y αν θα περπατήσει αριστερά ή δεξιά. Ένας δίσκος με λαβύρινθους κάτω από το άγρυπνο βλέμμα μιας κάμερας επιτρέπει στους ερευνητές να μελετούν πολλές μεμονωμένες μύγες ταυτόχρονα καθώς η καθεμία περπατά στο λαβύρινθο ξανά και ξανά. Με αυτά τα εργαλεία, η παραλλαγή «γίνεται βιολογικό φαινόμενο, παρά παρενέργεια ή πρόβλημα», είπε ο Kempermann.

Katherine Taylor για το Quanta Magazine

Βίντεο: Αυτή η σειρά Υ-λαβύρινθων επιτρέπει στους ερευνητές να παρακολουθούν την ατομική συμπεριφορά σε πολλές μύγες ταυτόχρονα. Καθώς η μύγα περπατά γύρω από το λαβύρινθο, πρέπει να αποφασίσει αν θα στρίψει αριστερά ή δεξιά.

Η ομάδα του De Bivort ανέλυσε το «handedness» - μια προτίμηση για στροφή αριστερά ή δεξιά - σε 150 διαφορετικά στελέχη μυγών. Ανακάλυψαν ότι ορισμένα στελέχη ποικίλλουν πολύ από μύγα σε μύγα, με αριστερούς, δεξιούς και όλα τα ενδιάμεσα. Άλλα στελέχη είχαν πολύ μικρότερη διακύμανση, με άτομα που έδειξαν μόνο ήπιες προτιμήσεις για αριστερά ή δεξιά. Ο De Bivort κατέληξε στο συμπέρασμα ότι μια πηγή παραλλαγής πρέπει να είναι ενσωματωμένη στο DNA των φρουτόμυγων.

Λείπει συστατικό

Τι διακρίνει τα στελέχη υψηλής μεταβλητότητας από πιο ομοιόμορφες ποικιλίες; Οι ερευνητές εντόπισαν πολλά υποψήφια γονίδια που είναι ενεργά στον εγκέφαλο, συμπεριλαμβανομένου ενός γονιδίου που ονομάζεται teneurin-A. Όταν ο Julien Ayroles, ερευνητής στο εργαστήριο του de Bivort, μπλόκαρε αυτό το γονίδιο κατά την ανάπτυξη των μυγών σε ενήλικες, η ποικιλία αυξήθηκε. Ομάδες που ξεκίνησαν πιο αμφιδέξια ανέπτυξαν μια σειρά από προτιμήσεις για αριστερά και δεξιά. Τα ευρήματα υποστηρίζουν την ιδέα ότι συγκεκριμένες μεταλλάξεις δημιουργούν μεταβλητότητα.

Καθώς ο Ayroles έψαχνε για γενετικές ενδείξεις, ο Sean Buchanan, ένας άλλος ερευνητής στο εργαστήριο, άρχισε να επιθεωρεί τον εγκέφαλο. Χρησιμοποίησε μια σειρά από κόλπα γενετικής μηχανικής για να ενισχύσει ή να μειώσει τη δραστηριότητα συγκεκριμένων νευρώνων, αναζητώντας τις επακόλουθες αλλαγές στην ευαισθησία των ζώων. Ο Buchanan διαπίστωσε ότι θα μπορούσε να ενισχύσει τη μεταβλητότητα χειραγωγώντας ένα συγκεκριμένο σύνολο νευρώνων στην περιοχή του εγκεφάλου που ονομάζεται κεντρικό σύμπλεγμα. Αυτή η περιοχή είναι απαραίτητη για την επεξεργασία των αισθητηριακών πληροφοριών και τον έλεγχο της κίνησης.

Επιπλέον, η τενευρίνη-Α εκφράζεται σε αυτό το τμήμα του εγκεφάλου και απαιτείται για να σχηματιστεί σωστά. Αυτό το γεγονός υποδηλώνει ότι δύο παράγοντες — το teneurin-A και το κεντρικό σύμπλεγμα — συνεργάζονται κατά κάποιο τρόπο για να ενισχύσουν την παραλλαγή, αν και δεν είναι ακόμη σαφές πώς ακριβώς.

Ωστόσο, ο De Bivort έχει κάποιες ιδέες. Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι η teneurin-A βοηθά στον προσδιορισμό του τρόπου σύνδεσης των νευρώνων. Φανταστείτε τη διαδικασία ως ένα σχήμα κωδικοποίησης χρώματος, όπου η teneurin-A αλλάζει το χρώμα ενός νευρώνα και οι νευρώνες μπορούν να συνδεθούν μόνο με άλλους νευρώνες του ίδιου χρώματος. Εάν έχετε δύο σετ τριών κελιών - κόκκινο, κίτρινο και μπλε - υπάρχει μόνο μία δυνατή διαμόρφωση. Αλλά εάν μια άλλη έκδοση του teneurin-A κάνει και τα έξι κύτταρα κόκκινα, μπορούν να συνδεθούν με διάφορους τρόπους. Με αυτόν τον τρόπο, η teneurin-A θα μπορούσε να δημιουργήσει τη δυνατότητα για νέα νευρωνική καλωδίωση ακόμη και σε γενετικά πανομοιότυπα άτομα.

Πρώιμες επιρροές

Τι θα μπορούσε να αποκαλύψει αυτό το έργο για τη φύση της ατομικότητας στους ανθρώπους; Σε αυτό το σημείο, δεν είναι ξεκάθαρο. «Ο εγκέφαλος της μύγας δεν είναι τόσο πλαστικός όσο ο εγκέφαλος των θηλαστικών», είπε ο Kempermann, πράγμα που σημαίνει ότι η νευρωνική καλωδίωση στα θηλαστικά είναι πολύ πιο ευέλικτη, αλλάζει ανάλογα με τις εμπειρίες ενός ατόμου. "Πολύ περισσότερα από [του εγκεφάλου της μύγας] είναι καλωδιωμένα."

Στον άνθρωπο, βέβαια, τεράστιο ρόλο παίζει το περιβάλλον στο οποίο μεγαλώνει ο άνθρωπος. Η ομάδα του De Bivort έκανε ό,τι μπορούσε για να αποκλείσει μια τέτοια μεταβλητότητα. Τυποποίησαν τις συνθήκες διαβίωσης των μυγών, φτάνοντας στο σημείο να εκτρέφουν ορισμένα ζώα σε απομόνωση για να εξαλείψουν τις διαφορές στην κοινωνική τους ζωή. (Επίσης ελαχιστοποίησαν τις γενετικές διαφορές με τη χρήση στελεχών ενδογαμικών μυγών.)

Παρά αυτές τις προφυλάξεις, είναι πιθανό ότι μικρές, δύσκολα ανιχνεύσιμες αλλαγές στα γονίδια ή στο περιβάλλον μπορεί να συμβάλλουν στην διαφοροποίηση. Για παράδειγμα, τυχαία γεγονότα νωρίς στην ανάπτυξη μπορεί να προκαλέσουν αποκλίνουσα συμπεριφορά. Ίσως ένα αυγό είχε λίγο περισσότερη τροφή από ένα άλλο. αυτή η μικρή διαφορά θα μπορούσε να επεκταθεί με την πάροδο του χρόνου. Αν υποθέσουμε ότι οι μύγες είχαν την ίδια ανατροφή είναι σαν να "λέμε ότι τα ανθρώπινα δίδυμα είχαν τις ίδιες εμπειρίες μέχρι την ενηλικίωση", δήλωσε η Τζούντι Στάμπς, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ντέιβις.

Μια μελέτη σε ποντίκια, που δημοσιεύτηκε στο Science το 2013, δείχνει πόσο βαθιές μπορεί να είναι οι πρώιμες διαφορές. Ο Kempermann και οι συνεργάτες του μεγάλωσαν ποντίκια του ίδιου στελέχους στο ίδιο περιβάλλον, ένα γεμάτο ενδιαφέροντα μέρη για εξερεύνηση και αντικείμενα για παιχνίδι. Με την πάροδο του χρόνου, τα ποντίκια ανέπτυξαν διαφορετικές προσωπικότητες. Κάποια ζώα έγιναν πιο τολμηρά και άλλα πιο επιφυλακτικά. Αν και δεν γνωρίζουν την ακριβή πηγή των διαφορών, οι επιστήμονες θεωρούν ότι οι πρώιμες αλληλεπιδράσεις με συγκεκριμένα αντικείμενα ή άλλα ποντίκια μπορεί να δημιουργήσουν έναν βρόχο θετικής ανάδρασης:Το τολμηρό ποντίκι εκτίθεται σε νέες αισθήσεις και γίνεται ακόμη πιο περίεργο.

Ο De Bivort εκτελεί ένα παρόμοιο πείραμα σε μύγες, εκτρέφοντάς τες σε έναν πλούσιο βιότοπο και αναζητώντας αλλαγές στη συμπεριφορά. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι ο εμπλουτισμός — παρέχοντας ένα περιβάλλον που διεγείρει τις αισθήσεις — μπορεί να αυξήσει τη μεταβλητότητα με συγκεκριμένους τρόπους αλλά όχι με άλλους.

«Για μένα, το ερώτημα δεν είναι γιατί τα άτομα θα είναι διαφορετικά, είναι «Γιατί να περιμένουμε να είναι τα ίδια;»», είπε ο Stamps. "Ο μόνος λόγος που θα περίμενες αυτό είναι αν πιστεύεις ότι τα γονίδια είναι τα μόνα πράγματα που είναι σημαντικά."

Βοήθεια ή Εμπόδιο

Για τους επιστήμονες που μελετούν την ατομική παραλλαγή, ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ερωτήματα είναι γιατί υπάρχει. Είναι χρήσιμο ή επιβλαβές για το άτομο και τον πληθυσμό; «Γνωρίζουμε ακόμα πολύ λίγα για τις συνέπειες της φυσικής κατάστασης», είπε η Τζούλια Σαλτς, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Ράις στο Χιούστον.

Ορισμένες εκδόσεις ενός γονιδίου μπορεί απλώς να έχουν κακό ποιοτικό έλεγχο, βγάζοντας ένα κακότεχνο και ασυνεπές προϊόν. (Οι επιστήμονες το αναφέρουν ως αναπτυξιακή αστάθεια και γενικά το θεωρούν επιβλαβές.) Εναλλακτικά, ίσως κάποια διακύμανση προκαλεί ισχυρότερο στέλεχος. "Εάν είστε πιο μεταβλητοί, ένα αρπακτικό δεν μπορεί να μαντέψει τι θα κάνετε στη συνέχεια", είπε ο Saltz.

Αυτή η τελευταία θεωρία αποκαλείται «αντιστάθμιση στοιχήματος» επειδή μοιάζει με τη διαφοροποίηση του χαρτοφυλακίου κάποιου για προστασία από τον κίνδυνο. Η βιολογική αντιστάθμιση στοιχημάτων παρέχει σε έναν πληθυσμό μια σειρά συμπεριφορών, μερικές από τις οποίες μπορεί να αντιμετωπίσουν καλύτερα τις συνθήκες υδραργύρου. Για παράδειγμα, ένας πληθυσμός μυγών που μπορεί να ανεχθεί ένα εύρος θερμοκρασιών είναι πιθανό να είναι πιο επιτυχημένος από έναν πληθυσμό που προτιμά μόνο το ζεστό ή το κρύο. Οι μεταλλάξεις που παράγουν εγγενώς μεταβλητότητα είναι πιο ευέλικτες από εκείνες που συνδέονται με ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό.

Η ομάδα του De Bivort ελπίζει τελικά να δοκιμάσει αυτή την ιδέα με τα λεγόμενα κοινά πειράματα κήπου. Θα δημιουργήσουν ενδιαιτήματα για μύγες με πολλές διακυμάνσεις - αλλαγές στη θερμοκρασία ή τη φωτεινότητα - και στη συνέχεια θα αξιολογήσουν εάν τα στελέχη χαμηλής ή υψηλής μεταβλητότητας είναι πιο πιθανό να επιβιώσουν. «Είμαι σταθερά στο στρατόπεδο ότι κάποιο επίπεδο αντιστάθμισης στοιχημάτων είναι το βέλτιστο για πολλά χαρακτηριστικά», είπε ο de Bivort. "Ίσως ιδιαίτερα χαρακτηριστικά συμπεριφοράς."