Putukate ajud sulavad ja lähevad ümber metamorfoosi ajal | Ajakiri Quanta

Soojadel suveöödel lehvivad tagahoovides ja kämpingutes heledate laternate ümber rohelised paelad. Looritaoliste tiibadega putukad on kergesti hajutatud oma loomulikust lillenektari rüüpamisest, röövnahkhiirte vältimisest ja paljunemisest. Väikesed munad, mida nad munevad, ripuvad pikkade varte küljes lehtede alumisel küljel ja kõiguvad nagu haldjatuled tuule käes.

Munade rippuvad ansamblid on ilusad, kuid ka praktilised: need hoiavad kooruvaid vastseid kohe ära söömast oma koorumata õdesid-vendi. Sirbitaoliste lõualuudega, mis nende saagi läbistavad ja kuivaks imevad, on paelad vastsed "tigedad", ütles. James Truman, Washingtoni ülikooli arengu-, raku- ja molekulaarbioloogia emeriitprofessor. "See on nagu "Kaunitar ja koletis" ühes loomas."

See Jekylli ja Hyde'i dihhotoomia on võimalik tänu metamorfoosile, nähtusele, mis on kõige tuntum röövikute liblikateks muutmisel. Kõige äärmuslikumas versioonis, täielikus metamorfoosis, näevad alaealised ja täiskasvanud vormid välja ja toimivad nagu täiesti erinevad liigid. Metamorfoos pole loomariigis erand; see on peaaegu reegel. Rohkem kui 80% Tänapäeval tuntud loomaliikidest, peamiselt putukatest, kahepaiksetest ja mereselgrootutest, toimub mingisugune metamorfoos või nende elutsükkel on keeruline ja mitmeastmeline.

Metamorfoosiprotsess sisaldab palju mõistatusi, kuid mõned kõige sügavamalt mõistatuslikud on keskendunud närvisüsteemile. Selle nähtuse keskmes on aju, mis peab kodeerima mitte ühte, vaid mitut erinevat identiteeti. Lõppude lõpuks on lendava, kaaslast otsiva putuka elu väga erinev näljase rööviku elust. Viimase poole sajandi jooksul on teadlased uurinud küsimust, kuidas neuronite võrgustik, mis kodeerib ühte identiteeti – näljase rööviku või mõrvarliku pitsilise vastse oma – nihkub kodeerima täiskasvanu identiteeti, mis hõlmab täiesti teistsugust käitumist ja vajadusi. .

Truman ja tema meeskond on nüüdseks õppinud, kui palju metamorfoos muudab aju osi. sisse Hiljutises uuringus avaldati ajakirjas eLife, jälgisid nad metamorfoosi läbivate äädikakärbeste ajus kümneid neuroneid. Nad leidsid, et erinevalt Franz Kafka novelli “Metamorfoos” piinavast peategelasest, kes ärkab ühel päeval koletu putukana, ei mäleta täiskasvanud putukad oma vastsete elust suurt midagi. Kuigi paljud uuringus osalenud vastsete neuronid pidasid vastu, muudeti Trumani rühma uuritud putuka aju osa dramaatiliselt ümber. See närviühenduste kapitaalremont peegeldas samasugust dramaatilist muutust putukate käitumises, kui nad muutusid roomavatest, näljastest vastsetest lendavateks, kaaslast otsivateks täiskasvanuteks.

Nende leiud on "tänaseks kõige üksikasjalikum näide" selle kohta, mis juhtub metamorfoosi läbiva putuka ajuga. Deniz Erezyilmaz, Oxfordi ülikooli närviahelate ja käitumise keskuse järeldoktor, kes töötas varem Trumani laboris, kuid ei osalenud selles töös. Ta lisas, et tulemused võivad kehtida paljude teiste liikide kohta Maal.

Lisaks sellele, kuidas vastsete aju täiskasvanud ajuks küpseb, annab uus uuring vihjeid selle kohta, kuidas evolutsioon pani nende putukate arengu sellise metsiku ümbersõidu tegema. "See on monumentaalne tükk," ütles Bertram Gerber, Leibnizi Neurobioloogia Instituudi käitumuslik neuroteadlane, kes ei osalenud uuringus, kuid oli uuringu kaasautor. seotud kommentaarid eest eLife. "See on tõesti selle valdkonna 40-aastase uurimistöö haripunkt."

"Ma kutsun seda "Paber" suurtähtedega," ütles Darren Williams, Londoni King's College'i arengu neurobioloogia teadur, kes ei osalenud uuringus, kuid on Trumani pikaaegne kaastöötaja. "See saab olema paljude küsimuste jaoks põhimõtteliselt oluline."

Ümbersõit täiskasvanuks saamise teel

Varaseimad putukad 480 miljonit aastat tagasi tekkisid munadest, mis nägid välja nagu nende täiskasvanud isendite väiksemad versioonid, vastasel juhul jätkasid nad oma "otset arengut", et jõuda järjest lähemale oma täiskasvanud kujule, nagu seda teevad tänapäeval rohutirtsud, ritsikad ja mõned teised putukad. Näib, et täielik metamorfoos tekkis putukatel alles umbes 350 miljonit aastat tagasi, enne dinosauruseid.

Enamik teadlasi usub nüüd, et metamorfoos arenes välja selleks, et vähendada konkurentsi ressursside pärast täiskasvanute ja nende järglaste vahel: vastsete manööverdamine väga erinevasse vormi võimaldas neil süüa väga erinevat toitu kui täiskasvanud. "See oli suurepärane strateegia," ütles Truman. Täielikku metamorfoosi läbi elama hakanud putukaid, nagu mardikad, kärbsed, liblikad, mesilased, herilased ja sipelgad, kasvas plahvatuslikult.

Kui Truman oli laps, veetis ta tunde vaadates, kuidas putukad protsessi läbivad. Eriti paelte puhul huvitas mind vastse metsikus versus täiskasvanud isendi õrn olemus, ” ütles ta.

Tema lapsepõlvekirest sai lõpuks karjäär ja perekond. Pärast seda, kui ta abiellus oma doktorinõustajaga, Lynn Riddiford, kes on ka Washingtoni ülikooli emeriitprofessor, reisisid nad mööda maailma, kogudes putukaid, mis moonduvad, ja teisi, kes seda ei tee, et võrrelda nende arenguteid.

Kui Riddiford keskendus oma töös hormoonide mõjule metamorfoosile, siis Trumani huvitas kõige rohkem aju. 1974. aastal avaldas ta esimesele paberile selle kohta, mis juhtub ajuga metamorfoosi ajal, mille jaoks ta jälgis motoorsete neuronite arvu sarveusside vastsetes ja täiskasvanutes. Sellest ajast alates on paljudes uuringutes üksikasjalikult kirjeldatud vastsete ja täiskasvanute erinevaid neuroneid ja ajuosi, kuid need on kas anekdootlikud või keskenduvad protsessi väga väikestele aspektidele. "Meil ei olnud suurt pilti," ütles Truman.

Truman teadis, et ajuga toimuva tõeliselt mõistmiseks peab ta suutma protsessi käigus jälgida üksikuid rakke ja ahelaid. Äädikakärbse närvisüsteem pakkus selleks praktilise võimaluse: kuigi enamik äädikakärbse vastsete keharakke sureb täiskasvanuks muutudes, ei tee seda paljud tema aju neuronid.

"Närvisüsteem pole kunagi suutnud neuronite moodustumist muuta," ütles Truman. See on osaliselt tingitud sellest, et kõigi putukate närvisüsteem tuleneb tüvirakkude massiivist, mida nimetatakse neuroblastideks, mis küpsevad neuroniteks. See protsess on vanem kui metamorfoos ise ja seda ei saa pärast teatud arenguetappi kergesti muuta. Nii et isegi kui peaaegu kõik teised äädikakärbse vastsete rakud on elimineeritud, võetakse enamik algsetest neuronitest ringlusse, et täiskasvanud inimesel uuesti toimida.

Uuendatud meel

Paljud inimesed kujutavad ette, et metamorfoosi ajal, kui vastserakud hakkavad surema või end ümber korraldama, muutub putuka keha oma kookonis või eksoskeleti ümbrises millekski supi sarnaseks, kusjuures kõik ülejäänud rakud libisevad vedelalt koos. Kuid see pole päris õige, selgitas Truman. "Igal asjal on oma positsioon... aga see on tõesti delikaatne ja kui loom lahti avate, siis kõik lihtsalt puruneb," ütles ta.

Selle želatiinse massi ajumuutuste kaardistamiseks uurisid Truman ja tema kolleegid geneetiliselt muundatud äädikakärbse vastseid, millel olid spetsiifilised neuronid, mis mikroskoobi all särasid fluorestseeruvalt roheliselt. Nad leidsid, et see fluorestsents kadus sageli metamorfoosi ajal, seetõttu kasutasid nad geneetilist tehnikat nad olid arenenud aastal 2015, et lülitada sisse punane fluorestsents samades neuronites, andes putukatele teatud ravimi.

See on "üsna lahe meetod," ütles Andreas Thum, Leipzigi ülikooli neuroteadlane ja kommentaari kaasautor Gerberiga. See võimaldab teil vaadata mitte ainult ühte, kahte või kolme neuronit, vaid tervet rakkude võrku.

Teadlased keskendusid seente kehale, äädikakärbsevastsete ja täiskasvanute õppimise ja mälu jaoks olulisele ajupiirkonnale. Piirkond koosneb pikkade aksonaalsete sabadega neuronitest, mis asuvad paralleelsetes joontes nagu kitarri keeled. Need neuronid suhtlevad ülejäänud ajuga sisend- ja väljundneuronite kaudu, mis põimuvad stringidest sisse ja välja, luues ühenduste võrgustiku, mis võimaldab putukatel seostada lõhnu heade või halbade kogemustega. Need võrgud on paigutatud eraldiseisvatesse arvutussektsioonidesse, nagu kitarri ribade vahelised ruumid. Igal sektsioonil on ülesanne, näiteks kärbse suunamine millegi poole või sellest eemale.

Truman ja tema meeskond leidsid, et kui vastsed läbivad metamorfoosi, on nende kümnest neuraalsest sektsioonist täiskasvanud seente kehasse kaasatud vaid seitse. Nende seitsme sees mõned neuronid surevad ja mõned muudetakse uute täiskasvanute funktsioonide täitmiseks. Lahustuvad kõik ühendused seente kehas olevate neuronite ja nende sisend- ja väljundneuronite vahel. Selles transformatsioonifaasis "on selline ülim budistlik olukord, kus teil pole sisendeid ega väljundeid," ütles Gerber. "Ainult mina, mina ja mina."

Kolmes vastsete sektsioonis olevad sisend- ja väljundneuronid, mis täiskasvanud seente kehasse ei liideta, kaotavad täielikult oma vana identiteedi. Nad lahkuvad seente kehast ja integreeruvad uutesse ajuahelatesse mujal täiskasvanu ajus. "Te ei teaks, et need olid samad neuronid, välja arvatud see, et oleme suutnud neid nii geneetiliselt kui ka anatoomiliselt jälgida," ütles Truman.

Teadlased viitavad sellele, et need ümberpaigutavad neuronid on vastsete seente kehas vaid ajutised külalised, kes täidavad mõnda aega vajalikke vastsete funktsioone, kuid naasevad seejärel oma esivanemate ülesannete juurde täiskasvanud ajus. See on kooskõlas ideega, et täiskasvanud aju on suguvõsa vanem esivanemate vorm ja lihtsam vastsete aju on tuletatud vorm, mis tekkis palju hiljem.

Lisaks ümberkujunenud vastsete neuronitele sünnib vastse kasvades palju uusi neuroneid. Vastsed neid neuroneid ei kasuta, kuid metamorfoosi ajal küpsevad nad sisend- ja väljundneuroniteks üheksa uue arvutussektsiooni jaoks, mis on täiskasvanutele spetsiifilised.

Thum ütles, et vastse seenekeha näeb välja väga sarnane täiskasvanud versiooniga, kuid "juhtmete ümberpaigutamine on tõesti intensiivne." Tundub, nagu oleksid arvutusmasina sisendid ja väljundid kõik häiritud, kuid säilitasid siiski oma traadita funktsioonid, ütles Gerber. "See on peaaegu nii, nagu ühendaksite masina tahtlikult lahti ja uuesti sisse."

Selle tulemusena on täiskasvanud aju seenekeha "põhimõtteliselt … täiesti uus struktuur", ütles K. VijayRaghavan, emeriitprofessor ja India riikliku bioloogiateaduste keskuse endine direktor, kes oli lehe peatoimetaja ja ei osalenud uuringus. Ta lisas, et anatoomilised andmed ei viita sellele, et mälestused oleksid säilinud.

Mälu haprus

Teadlasi on erutanud küsimus, kas vastsete mälestused võivad täiskasvanud putukateni edasi kanda, ütles Williams, kuid vastus pole olnud selge.

Mälestuste tüübid, mis elavad äädikakärbse seenekehas, on assotsiatiivsed mälestused, sellised, mis seovad omavahel kahte erinevat asja — seda tüüpi mälu, mis näiteks kellahelina peale Pavlovi koertel sülg jooksma jättis. Puukärbse jaoks hõlmavad assotsiatiivsed mälestused tavaliselt lõhnu ja need suunavad kärbse millegi poole või sellest eemale.

Kuid nende järeldus, et assotsiatiivsed mälestused ei suuda ellu jääda, ei pruugi kõigi liikide puhul kehtida. Näiteks liblika- ja mardikavastsed kooruvad keerulisema närvisüsteemiga ja rohkemate neuronitega kui äädikakärbsevastsetel. Kuna nende närvisüsteem algab keerulisemalt, ei pea neid võib-olla nii palju ümber kujundama.

Varasemad uuringud on leidnud tõendeid selle kohta, et teatud liikidel võivad säilida muud tüüpi mälestused. Näiteks selgitas Gerber, et vaatlused ja katsed viitavad sellele, et paljud putukateliigid eelistavad paljuneda sama tüüpi taimedel, kus nad küpsesid: õunapuudel sündinud ja kasvanud vastsed kipuvad hiljem täiskasvanuna õunapuudele munema. "Seega tekib küsimus, kuidas need kahte tüüpi vaatlused on seotud," ütles ta. Kuidas need eelistused edasi kanduvad, kui mälestused seda ei tee? Üks võimalus on see, et assotsiatiivsed mälestused ei kandu edasi, kuid muud tüüpi mälestused, mis asuvad teistes ajuosades, teevad seda, ütles ta.

Andmed pakuvad võimalusi võrrelda närvisüsteemi arengut loomadel, kes moonduvad, ja nendel, kes seda ei tee. Putukate närvisüsteem on evolutsiooni käigus piisavalt konserveerunud, et teadlased suudaksid täpselt arenevates liikides, nagu ritsikad ja rohutirtsud, täpselt kindlaks teha samaväärsed neuronid. Nende võrdlus võib vastata küsimustele, näiteks kuidas üksikud rakud muutusid ühest identiteedist mitmeks identiteediks. See on "uskumatult võimas võrdlev tööriist," ütles Williams.

Thum arvab, et oleks huvitav näha, kas erinevates keskkondades elavad putukaliigid võivad nende aju ümberkorraldamise viisides erineda ja kas mälestused võivad mõnes neist ellu jääda. Gerber on uudishimulik, et näha, kas putukate metamorfoosi rakulised mehhanismid on samad teistel loomadel, kes läbivad protsessi variatsioone, nagu kullesed, millest saavad konnad, või liikumatud hüdralaadsed olendid, kellest saavad millimallikad. "Võite olla isegi piisavalt hull, et mõelda, kas me peaksime puberteeti vaatlema kui teatud metamorfoosi," ütles ta.

Truman ja tema meeskond loodavad nüüd sukelduda molekulaarsele tasemele, et näha, millised geenid mõjutavad närvisüsteemi küpsemist ja arengut. 1971. aastal püstitasid teadlased teoreetilises artiklis hüpoteesi, et geenide kolmik juhib putukate metamorfoosi protsessi – idee, mida Riddiford ja Truman kinnitasid veel 2022 paber. Kuid nende geenide keha ja aju ümberkujundamise mehhanismid jäävad ebaselgeks.

Trumani lõppeesmärk on meelitada neuronit võtma vastsete ajus täiskasvanuliku kuju. Protsessi edukas häkkimine võib tähendada, et mõistame tõeliselt, kuidas need putukad loovad aja jooksul mitu identiteeti.

Pole teada, millised oleksid ümberkorraldamise mustrid mujal ajus. Kuid on tõenäoline, et mõned äädikakärbse vaimsete võimete ja maailmale reageerimise aspektid, olgu need siis teadlikud või mitte, on kujundatud tema vastsete elu tõttu, ütles Truman. "Väljakutse on püüda välja selgitada nende mõjude olemus ja ulatus."