За год нам встретилось немало удивительных научных открытий, и самым удивительным из них мы хотим удивиться ещё раз.
Человеческому мозгу показали новый цвет
Цвета мы видим благодаря фоторецепторам под названием колбочки, которых есть три вида: S, M и L. Колбочки S реагируют на световые волны сравнительно короткой длины в фиолетово-синей области спектра; колбочки L – на сравнительно длинные волны в жёлто-красной области. Колбочки M находятся в этом смысле между S и L, реагируя на зелёно-жёлтые цвета. Воспринимаемый цвет зависит от количества активированных S, M и L колбочек, а также от их расположения в сетчатке (в один и тот же момент времени где-то в сетчатке будет больше активных S, где больше L, где-то всех трёх поровну и т. д.).
Поскольку колбочки M реагируют на длины волн, промежуточные по отношению к S и L, то на эти волны часто отвечают все три типа колбочек. Даже если преимущественно работают M, всё равно вместе с ними будет активна какая-то доля S или L. Что будет, если простимулировать только колбочки M? Такой эксперимент поставили с пятью добровольцами. Сначала для них построили детальную карту колбочек на небольшом участке сетчатки. Строить такую карту нужно было для каждого человека отдельно, потом что узор фоторецепторов у нас индивидуален. Затем лазерными импульсами они начали стимулировать исключительно колбочки М: свет был направлен так, чтобы не затрагивать ни S-, ни L-колбочки. Добровольцам показывали цветовые шкалы, чтобы они показали на тот цвет, который они видят, но на этих шкалах его не было. По описанием он был похож не то на павлиний синий, не то на цвет морской волны, но очень, очень насыщенный. Цвет назвали «olo», где буквы «о» соответствуют нулям, то есть неактивным S- и L-колбочкам, а «l» соответствует единице – это означает активность колбочек М, находящихся в смысле спектральной чувствительности между S и L. Стимулируя M отдельно от остальных, исследователи сумели вставить новый цвет в обычные изображения, которые показывали участникам эксперимента.
Экспериментальная система, позволяющая стимулировать отдельные фоторецепторы, поможет глубже понять, как работает сетчатка и как она общается со зрительными областями мозга. Можно придумать и практическое применение – например, для тех, кто страдает цветовой слепотой, ведь с помощью этой системы можно подбирать баланс разных колбочек, которые будут вместе давать тот или иной цвет.
Белок-палитра
Мы знаем, что зелёный цвет получается при смешивании жёлтого и синего. Оказывается, этот цветовой эффект используется в одном из белков из покровных тканей кузнечиков. Водяной раствор этого белка остаётся зелёным, но в присутствии органических растворителей зелёный распадался на жёлтый и синий. Жёлтый цвет даёт пигмент лютеин из группы ксантофиллов, синий – пигменты билины, модифицированные большой молекулой изопреноида фарнезила. И ещё есть, собственно, тот самый белок, который удерживает их вместе.
Сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН, Московского государственного университета и Института биоорганической химии РАН определили его структуру буквально с нуля. Устроен он сложно: две части белка, каждая образованная тремя отдельными полипептидными цепями складываются в своеобразный мешок – внутри белка есть большая гидрофобная полость, где и размещаются пигменты: две молекулы лютеина, две билина и ещё две молекулы липида фосфатидилхолина. Этот белок, получивший название дибилиноксантинина (DBXN), можно сравнить с палитрой – не в смысле цветовой шкалы или набора цветов, а в смысле приспособления, на котором художники смешивают краски, чтобы получить нужный оттенок.
Цианидная польза
Цианиды, то есть соли синильной кислоты и сама синильная кислота – одни из самых известных и сильных ядов. Вместе с тем известно, что цианиды синтезируются некоторыми бактериями, грибами, водорослями, растениями. Хотя тут нужно уточнить, что часто это не готовые цианиды, а некие сложные молекулы-предшественники, которые претерпевают разные превращения, попутно выделяя небольшие количества цианида. Так обстоят дела, например, с горьким миндалём, с косточками абрикосов, персиков, слив и других деревьев, у которых цианид образуется при распаде гликозида амигдалина. С другой стороны, среди двупарноногих многоножек есть виды, выделяющие готовую синильную кислоту, и точно так же поступают некоторые бабочки и личинки жуков – очевидно, для них синильная кислота служит защитой от врагов.
В прошлом году мы узнали, что к «цианистым» существам можно причислить и млекопитающих – оказывается, цианид можно найти у мышей и людей в клетках печени, лёгких, в клетках кишечника и в клетках крови. На самом деле, сообщения о том, что цианид может играть определённую роль в наших клетках, появлялись и раньше, но речь шла обычно лишь об отдельных типах клеток – о нейронах или, например, о лейкоцитах, которые используют цианид для борьбы с патогенами. Ещё в наших митохондриях есть фермент роданаза, которая выполняет биохимические превращения определённых соединений серы, в том числе и цианида (роданаза способна обезвреживать цианид, если он вдруг появляется, но для этого ей нужны соединения-помощники). Теперь же получается, что цианид распространён в животных тканях намного шире, чем может показаться, и он не просто опасный побочный продукт неких процессов – от него есть и польза.
Цианид можно обнаружить в разных частях клетки, но больше всего его в лизосомах – мембранных пузырьках, которые содержат ферменты для расщепления различных макромолекул. Для его синтеза нужна кислая среда и много аминокислоты глицина – чем больше клеткам давали глицина, тем больше у них появлялось цианида. Для чего он нужен? Во-первых, для модификации белков. Известно, что ко множеству белков уже после синтеза прикрепляются химические группы, влияющие на их активность. Самый известный пример – фосфат: остаток фосфорной кислоты в реакциях фосфорилирования и дефосфорилирования садится и уходит с определённых аминокислот в свёрнутой полипептидной цепи белка, из-за чего белок по-разному работает. Вот и цианид, как оказалось, участвует в подобных реакциях, хотя влияние его на конкретные белки ещё нужно будет выяснять. Во-вторых, цианид играет заметную роль в энергетических процессах. В клетках, которые получали много глицина (который, напомним, служит сырьём для получение цианида), улучшался синтез АТФ, а если в них стимулировали ген вышеупомянутой роданазы, которая ликвидирует цианид, то синтез АТФ ухудшался. Были и другие эксперименты, которые показали, что глицин, а также низкие концентрации цианида калия, стимулируют реакции гликолиза и цикла Кребса, которые входят в энергетическую машину клетки. В общем, про цианид, как про многое другое, можно сказать, что он не только вреден, но и полезен. Однако биологически активную добавку из него делать точно не надо: польза от цианида проявляется при очень невысоких концентрациях, и обычные, здоровые клетки вполне могут сами себя им обеспечить.
Кожное электричество
Среди клеток передавать электрические импульсы способны нейроны и атипичные мышечные клетки проводящей системы сердца, от которых зависит работа всей сердечной мышцы. Как будто и всё – другие клетки могут лишь принимать электрохимические сигналы, реагируя на них каким-то своим способом. Но вот в прошлом году в PNAS была опубликована статья о том, передавать электрические импульсы друг другу могут эпителиальными клетками, только импульсы эти у них довольно медленные.
Исследователи выращивали клетки кожного эпителия (кератиноциты) человека и клетки почечного эпителия собаки на подложке с электродами. Затем культура клеток получала ожог лазером, после чего электроды регистрировали электрическую активность. Электрические импульсы в живых клетках генерируются благодаря перегруппировке разных ионов на мембранах. В случае с эпителиальными клетками импульсы возникали в связи с потоками ионов кальция, хотя, скорее всего другие ионы тут тоже были задействованы. Напряжение было сопоставимо с тем, которое возникает на нейронах, но распространялся импульс, как было сказано, очень медленно, со средней скоростью всего 10 мм в секунду. (У нейронов самые медленные импульсы бегут со скоростью от полуметра до нескольких метров в секунду.)
Такая электрическая активность продолжалась больше пяти часов. Авторы работы полагают, что импульсы должны побудить здоровые клетки избавиться от повреждённых и начать залечивать рану. Тогда электрические сигналы должны действительно продолжаться не час и не два, потому что регенерация тканей идёт не быстро. Есть исследования, в которых экспериментальные раны действительно лучше заживали под воздействием слабого тока. Но если говорить о собственной электрической активности эпителиальных клеток, то хорошо бы проверить, как они ведут себя не в клеточном культуральном слое, а в полноценной живой ткани.
Королева двух видов
Как мы знаем, почти все муравьи в муравейнике – это самки-рабочие с недоразвитой половой системой. Рабочие обслуживают потомство и королеву-матку, или несколько маток, у которых с половой системой всё порядке: они постоянно откладывают яйца, из которых выводятся новые рабочие. Время от времени, впрочем, из яиц появляются самки, способные к размножению – будущие королевы, и самцы, которые живут очень недолго и задача которых сводится к оплодотворению молодых самок.
Это очень общее описание того, как устроена жизнь у большинства муравьиных видов. Кроме того, что даже у «среднестатистических» муравьёв есть много нюансов в генетике и поведении членов семьи, среди муравьёв есть такие, которые научились использовать в качестве рабочих другие виды. Например, есть муравьи, чьи королевы спариваются, кроме своих самцов, ещё и с чужими самцами. Из яиц, оплодотворённых самцом своего вида, выходят самцы и будущие королевы того же вида. А вот из яиц, оплодотворённых чужим самцом, выходят гибридные рабочие. В общем-то, это форма паразитизма, только начинается он ещё на стадии половых клеток: королева-матка и её вид паразитирует на сперматозоидах другого вида.
В прошлом году мы узнали о муравье, который пошёл ещё дальше. Это муравей вида Messor ibericus. В его гнёздах можно найти особей с генами другого вида, Messor structor. Что важно, эти особи обнаруживаются даже там, где собственных их гнёзд (то есть гнёзд Messor structor) поблизости нет вообще. То есть у самки Messor ibericus нет шансов встретить самца Messor structor, а рабочие самки с генами Messor structor в её гнезде всё-таки есть. Исследователи тщательнее поискали в гнёздах Messor ibericus, и нашли в них самцов Messor structor. Другими словами, королевам Messor ibericus не нужно искать самца Messor structor из настоящих гнёзд Messor structor, чтобы наплодить рабочих – самцы Messor structor есть у них дома. При этом свои самцы Messor ibericus в гнезде тоже есть. Возникает вопрос, откуда берутся чужие самцы Messor structor.
Тут нужно вспомнить, что у самок муравьёв, и у маток, и у рабочих, каждая хромосома присутствует в двух копиях, отцовской и материнской – иными словами, все самки диплоидны. Самцы же гаплоидны – хромосомы у них только в одной копии каждая. Происходит так потому, что самцы появляются на свет партеногенетически, то есть из неоплодотворённых яиц. Под рукой у матки Messor ibericus есть самцы двух видов, своего и Messor structor. Из яиц, оплодотворённых самцом своего вида, выводятся будущие королевы. Из яиц, оплодотворённых самцом Messor structor, выводятся гибридные самки-рабочие: половина хромосом у них от матки Messor ibericus, другая половина – от гаплоидного самца Messor structor. Но в некоторых оплодотворённых Messor structor яйцах материнские хромосомы исчезают. Значит, несмотря на оплодотворение, яйцо всё равно остаётся гаплоидным, но только хромосомы теперь остались только от отца, и на свет из него появляются гаплоидные самцы – «домашние» самцы вида Messor structor.
Королевы Messor ibericus манипулируют геномом, чтобы всегда иметь под рукой самцов двух видов, своего собственного для продолжения рода и чужого, чтобы поддерживать численность гибридных рабочих. Воспроизводство чужих «домашних» самцов поддерживается благодаря трюку с хромосомами в оплодотворённом яйце. Что именно там происходит, ещё предстоит выяснить. Но вообще на свете есть несколько видов муравьёв, у которых из яйца также исчезает часть хромосом, то есть нельзя сказать, что это какое-то неслыханное ноу-хау. Вопрос, как устроена семейная жизнь Messor ibericus, не настолько отвлечённый, как может показаться: самцы двух видов в одном муравейнике и королева, которая управляет теми и другими, заставляют задуматься о том, что мы подразумеваем под видом и межвидовым гибридом.
Ноготь успеха
Кто не видел – если не живьём, то хотя бы на картинке – как белка ест орех, держа его двумя передними лапами? Нам такие манипуляции кажутся простыми, но чтобы так держать орех, и не просто держать, но и вертеть его, чтобы схватить поудобнее, лапы должны быть определённым образом устроены. Дело не только в гибкости и подвижности. Например, когти тут явно будут мешать. С другой стороны, как без когтей лазать по деревьям? Белки пошли на компромисс: на передних лапах когти у них есть на всех пальцах, кроме большого. На большом пальце у них ноготь.
Более того, ноготь вместо когтя на большом пальце носил общий предок всех грызунов, что, вероятно, было одной из причин их эволюционных достижений. В прошлом году Сотрудники Университета Сан-Паулу, Филдовского музея естественной истории и других научных центров опубликовали в Science статью, в которой они сравнивают строение лап грызунов 433 родов. (Всего в отряде грызунов около пятисот родов, объединяющих примерно 2700 видов, что составляет 40% видов всех млекопитающих.) Среди них были те, у которых на большом пальце сидит коготь, были те, у которых на нём сидит ноготь, и те, у которых большого пальца почти нет. Виды с ногтями обнаружились в большинстве родов, то есть в 86% из 433. Большой палец передних лап сопоставили с поведением представителей этих родов – исследователей интересовало, что они могут делать передними лапами и в особенности как они едят. Тут понадобились и научные статьи, и множество фото, сделанных натуралистами по всему миру с должным описанием того, кто на фото изображён. Делать относительно сложные движения передними лапами могут разные грызуны, но если взять, к примеру, морских свинок, у которых передние конечности четырёхпалые, то они пользуются ими всё же довольно редко – имеется в виду, что они предпочитают рыться в еде мордой и редко что-то зажимают и вертят в лапах (хотя никто не отрицает, что какие-то отдельные свинки могут быть особенно склонны к такому поведению). Исследователи хотели не просто удостовериться, что ноготь на большом пальце связан с более сноровистыми лапами – они хотели увидеть, как роды и виды с ногтями и без соотносятся друг с другом на эволюционном древе грызунов.
Так авторы работы пришли к выводу, что ноготь был у общего предка всех грызунов. Ноготь позволяет ловко обращаться с твёрдыми семенами и орехами – едой питательной, но очень неудобной: их нужно вертеть, подгрызая в разных местах, выискивая удобное положение и пр. С ногтем грызуны могли освоить корм, за который с ними мало кто конкурировал. Потом у некоторых линий грызунов ноготь сменился когтем, более удобным в некоторых экологических нишах, связанных с роющим, наземным или подземным образом жизни. Современные «ногтевые» грызуны живут большей частью на деревьях, где могут собирать орехи и семена непосредственно с веток. В этом смысле они похожи на приматов, большинство из которых представлено древесными видами: с острыми когтями было бы удобнее лазать по деревьям, но если нужно выполнять сложную работу руками – а приматы тут не чета грызунам – то когти будут только помехой.
Алкогольные феромоны
Некоторым самцам кажется, что спиртное делает их неотразимыми. В действительности же это работает только с самцами дрозофил, или плодовых мушек. Их часто можно увидеть на забродивших соках, на лежалых, гниющих фруктах – алкоголь, который там появляется, явно дрозофил привлекает. Больше всего на забродивший субстрат тянет самцов, и особенно тех, которые ещё не нашли самку. И неспроста: как оказалось, алкоголь усиливает синтез половых феромонов у самцов, так что выпившие самцы в прямом смысле становятся с точки зрения самок более привлекательными; эффект от алкоголя можно прямо оценить по репродуктивному успеху.
Среди спиртов сильнее всего на самцов дрозофил действует, как ни странно, метиловый спирт, который образуется в небольших количествах при разложении микробами некоторых растительных полисахаридов. Спирты для живых клеток вообще токсичны, а метанол так особенно. Для самцов дрозофил, которые решили повысить свою привлекательность, хорошо бы точно знать, сколько спирта в забродившем соке, который они собираются пить. Нейрофизиологические эксперименты показали, что у мух есть целых три нейронных цепочки, управляющие поведением и настроенные на спиртовой запах. Две из них побуждают лететь на алкогольный аромат, а третья, наоборот, отвращает от источника алкоголя. Если спирта сравнительно немного, две первые нейронные цепи побуждают муху лететь туда, где можно выпить. Если концентрация спирта слишком велика, то срабатывает третья цепочка, гоня самца прочь; причём эта третья цепочка особенно чувствительна к токсичным количествам метилового спирта. В целом можно сказать, что тяга самцов дрозофил к спиртному вполне оправдана; что до самок, то тут нужны дополнительные исследования.
Школьная арифметика бесполезна в быту
И напоследок довольно неожиданное исследование от лауреата Нобелевской премии по экономике Абхиджити Банерджи (Abhijit V. Banerjee) и его коллег из научных центров США и Индии; правда, их исследование не столько биологическое, сколько психологическое. Они решили выяснить, связаны ли между собой школьная арифметика и бытовая, помогают ли школьные задачи в быту и наоборот. Четырём арифметическим действиям можно выучиться и вне школы. Другое дело, что вне школы мы складываем, вычитаем, умножаем и делим конкретные предметы (грубо говоря, килограммы и деньги), в школьных же задачах довольно быстро переходят к голым числам: сколько будет из 35 вычесть 12, сколько будет 234 умножить на 101 и т. д. Как соотносится школьное умение обращаться с абстрактными цифрами и повседневные навыки?
В эксперименте участвовали индийские подростки не старше шестнадцати лет, ходящие в школу или работающие на базарах Калькутты и Дели. Молодых продавцов для исследования выбирали так: сначала к ним обращались со сложной просьбой продать, условно говоря, 2,8 кг картофеля, 1,4 кг лука, потом ещё и ещё что-нибудь – и всё по разной цене; а потом покупателю ещё нужно было дать сдачу. Подростки, давно работающие на рынке, нередко вычисляют всё это уме, без калькулятора и бумажных подсчётов. Естественно, среди них бывают те, у кого ментально-арифметические способности выражены сильнее, и те, у кого они выражены слабее, однако в целом более 90% подростков-продавцов считали всё правильно. Дальше им давали уже специально сочинённые арифметические задачи, в абстрактном виде и в конкретно-предметном виде. Задача в абстрактном виде формулировалась в числах и арифметических знаках: например, «сколько будет 94 минус 48?» В задаче конкретно-предметного вида были продавцы и покупатели, названия денежных единиц продуктов и пр. Оказалось, что дети-продавцы решают задачи конкретного вида лучше, чем задачи абстрактного вида – разница была не то чтобы огромной, но всё же заметной.
С теми же задачами исследователи пришли в школы к детям того же возраста, но без какого-го либо опыта работы на базаре. Задачу в абстрактном виде школьники решали лучше, чем подростки-продавцы. А вот с задачами, в которых были рупии, овощи и прочее в том же роде, школьники решали очень плохо. Разрыв между абстрактными задачами и конкретными у детей из школы был намного сильнее, чем у детей с рынка. Факторы вроде предполагаемого вознаграждения (или его отсутствия), достаточной или недостаточной уверенности в себе и пр. на результат радикально не влияли.
Авторы работы делают вывод, что у детей из школы при обработке арифметической задачи в голове включаются иные алгоритмы, чем у детей с торговым опытом. Школьные алгоритмы неэффективны – с ними трудно монтировать в одну последовательность несколько действий, они требуют много времени, их трудно использовать в реальной жизни и, что главное, с ними трудно переходить к более сложным разделам математики. Дело не в том, что школьную арифметику сложно применить к повседневным вычислениям, дело в том, что её, по мнению исследователей, трудно применить вообще к чему-либо за пределами арифметических задач определённого школьного курса. Речь о том, как учат арифметику, и имеет ли выученное какой-то смысл за пределами школы. Такое исследование не грех было бы повторить и в других странах, и для других школьных предметов.
Автор: Кирилл Стасевич