A rovaragyok megolvadnak és újrahuzaloznak a metamorfózis során | Quanta Magazin

Meleg nyári éjszakákon zöld fűzők lobognak a fényes lámpások körül a hátsó udvarokban és a kempingekben. A rovarok fátyolszerű szárnyaikkal könnyen elvonják a figyelmüket a virágnektár kortyolásával kapcsolatos természetes elfoglaltságukról, elkerülve a ragadozó denevéreket és szaporodnak. Az általuk lerakott tojások apró karmai a levelek alsó oldalán, hosszú száron lógnak, és tündérfényként himbálóznak a szélben.

A tojások lelógó együttesei szépek, de praktikusak is: megakadályozzák, hogy a kikelő lárvák azonnal megegyék ki nem kelt testvéreiket. A sarlószerű állkapcsokkal, amelyek átszúrják a zsákmányt, és szárazra szívják, a fűzős lárvák „ördögiek” – mondta. James Truman, a fejlesztési, sejt- és molekuláris biológia emeritus professzora a Washingtoni Egyetemen. „Olyan ez, mint a „Szépség és a Szörnyeteg” egy állatban.

Ezt a Jekyll- és Hyde-dichotómiát a metamorfózis tette lehetővé, amely jelenség a legismertebb a hernyók pillangóvá alakításáról. Legszélsőségesebb változatában, a teljes metamorfózisban, a fiatal és a felnőtt formák teljesen más fajként néznek ki és viselkednek. A metamorfózis nem kivétel az állatvilágban; ez szinte szabály. Több mint 80% A ma ismert állatfajok közül főként a rovarok, kétéltűek és a tengeri gerinctelenek valamilyen metamorfózison mennek keresztül, vagy összetett, többlépcsős életciklussal rendelkeznek.

A metamorfózis folyamata sok rejtélyt rejt magában, de a legmélyebben rejtélyesek közül néhány az idegrendszerre összpontosít. A jelenség középpontjában az agy áll, amelynek nem egy, hanem több különböző identitást kell kódolnia. Hiszen egy repülő, párkereső rovar élete sokban különbözik egy éhes hernyóétól. Az elmúlt fél évszázadban a kutatók azt a kérdést vizsgálták, hogy egy identitást kódoló neuronhálózat – egy éhes hernyóé vagy egy gyilkos csipkés lárváé – hogyan vált át egy felnőtt identitás kódolására, amely a viselkedések és szükségletek teljesen eltérő halmazát foglalja magában. .

Truman és csapata most megtudta, hogy a metamorfózis mennyire átrendezi az agy egyes részeit. Ban ben egy közelmúltbeli tanulmány megjelent a folyóiratban eLife, metamorfózison átmenő gyümölcslegyek agyában több tucat neuront nyomon követtek. Azt találták, hogy ellentétben Franz Kafka „Metamorfózis” című novellájának gyötrő főszereplőjével, aki egy napon szörnyű rovarként ébred fel, a kifejlett rovarok valószínűleg nem sokra emlékeznek lárvaéletükből. Noha a vizsgálatban részt vevő lárva neuronok közül sok kitartott, a rovarok agyának Truman csoportja által vizsgált része drámai módon át lett huzalozva. Az idegi kapcsolatok átalakítása a rovarok viselkedésében bekövetkezett hasonlóan drámai változást tükrözte, amikor a csúszó-mászó, éhes lárvákból repülő, párkereső felnőttekké váltak.

Eredményeik „a legrészletesebb példát jelentik mindmáig” arra, hogy mi történik egy metamorfózison áteső rovar agyával. Deniz Erezyilmaz, az Oxfordi Egyetem Neurális áramkörök és viselkedési központjának posztdoktori kutatója, aki korábban Truman laboratóriumában dolgozott, de nem vett részt ebben a munkában. Az eredmények sok más fajra vonatkozhatnak a Földön – tette hozzá.

Az új tanulmány azon túl, hogy részletezi, hogyan érik a lárva agya felnőtt agyvé, támpontokat ad arra vonatkozóan, hogy az evolúció hogyan késztette e rovarok fejlődését ilyen vad kitérőre. "Ez egy monumentális darab" - mondta Bertram Gerber, a Leibniz Institute for Neurobiology viselkedési idegtudósa, aki nem vett részt a tanulmányban, de társszerzője egy kapcsolódó kommentár mert eLife. "Ez valóban a 40 éves kutatás csúcspontja a területen."

„Ezt nagybetűvel „The Paper”-nak hívom – mondta Darren Williams, a londoni King's College fejlődési neurobiológiájával foglalkozó kutatója, aki nem vett részt a vizsgálatban, de Truman régóta munkatársa. "Ez alapvetően fontos lesz… sok kérdés esetén."

Kitérő a felnőtté válás útján

A legkorábbi rovarok 480 millió évvel ezelőtt olyan tojásokból bukkantak elő, amelyek nagyban hasonlítottak kifejlett énjük kisebb változataira, különben folytatták „közvetlen fejlődésüket”, hogy folyamatosan közeledjenek kifejlett formájukhoz, akárcsak manapság a szöcskék, tücskök és néhány más rovar. Úgy tűnik, hogy a teljes metamorfózis csak körülbelül 350 millió évvel ezelőtt, a dinoszauruszok előtt alakult ki a rovarokban.

A legtöbb kutató most úgy véli, hogy a metamorfózis azért alakult ki, hogy csökkentse az erőforrásokért folytatott versengést a felnőttek és utódaik között: a lárvák egészen más formájúvá válása lehetővé tette számukra, hogy egészen más ételeket ettek, mint a felnőttek. "Nagyszerű stratégia volt" - mondta Truman. A teljes metamorfózison áteső rovarok, mint a bogarak, legyek, lepkék, méhek, darazsak és hangyák száma robbanásszerűen megnőtt.

Amikor Truman gyerek volt, órákat töltött azzal, hogy a rovarok végigmenjenek a folyamaton. Főleg a fűzős fűzésnél: „Érdekelt a lárva vadsága a kifejlett egyed kényes természetével szemben” – mondta.

Gyermekkori szenvedélyéből végül karrier és család lett. Miután feleségül vette doktori tanácsadóját, Lynn Riddiford, aki egyben a Washingtoni Egyetem emerita professzora is, bejárták a világot, és olyan rovarokat gyűjtöttek, amelyek átalakulnak, és másokat, amelyek nem, hogy összehasonlítsák fejlődési útjaikat.

Míg Riddiford munkáját a hormonok metamorfózisra gyakorolt ​​hatására összpontosította, Trumant leginkább az agy érdekelte. 1974-ben publikált az első papírt arról, hogy mi történik az agyvel a metamorfózis során, amihez nyomon követte a motoros neuronok számát a szarvféreg lárváiban és az imágókban. Azóta számos tanulmány részletezte a lárvák és a kifejlett egyedek különböző neuronjait és agyrészeit, de ezek vagy anekdotikusak, vagy a folyamat nagyon kis aspektusaira összpontosítanak. „Nem volt túl nagy összképünk” – mondta Truman.

Truman tudta, hogy ahhoz, hogy valóban megértse, mi történik az aggyal, képesnek kell lennie arra, hogy nyomon kövesse az egyes sejteket és áramköröket a folyamat során. A gyümölcslégy idegrendszere erre gyakorlati lehetőséget kínált: Bár a gyümölcslégylárva testsejtjeinek nagy része elpusztul, miközben felnőtté alakul át, agyában sok neuron nem.

"Az idegrendszer soha nem volt képes megváltoztatni a neuronok létrehozásának módját" - mondta Truman. Ennek részben az az oka, hogy az összes rovar idegrendszere egy sor őssejtekből, úgynevezett neuroblasztokból származik, amelyek neuronokká érnek. Ez a folyamat régebbi, mint maga a metamorfózis, és nem módosítható könnyen egy bizonyos fejlődési szakasz után. Tehát még akkor is, ha a gyümölcslégy lárvatestéből szinte az összes többi sejt kiürül, az eredeti neuronok többsége újrahasznosul, hogy újból működjön a felnőttben.

Az átalakított elme

Sokan azt képzelik, hogy a metamorfózis során, amikor a lárvasejtek elkezdenek elpusztulni vagy átrendeződnek, a rovar teste a gubójában vagy az exoskeletális burkában levesszerűvé válik, és az összes megmaradt sejt folyékonyan csúszik egymás mellett. De ez nem egészen helyes – magyarázta Truman. „Mindennek megvan a maga helye… de ez nagyon kényes, és ha kinyitjuk az állatot, minden szétreped” – mondta.

A kocsonyás tömegben bekövetkező agyi változások feltérképezésére Truman és munkatársai géntechnológiával módosított gyümölcslégylárvákat vizsgáltak meg, amelyek specifikus idegsejtjei a mikroszkóp alatt fluoreszkáló zölden ragyogtak. Azt találták, hogy ez a fluoreszcencia gyakran elhalványult a metamorfózis során, ezért genetikai technikát alkalmaztak fejlődtek 2015-ben vörös fluoreszcenciát kapcsolnak be ugyanazokban az idegsejtekben azáltal, hogy egy bizonyos gyógyszert adnak a rovaroknak.

Ez egy „nagyon klassz módszer” – mondta Andreas Thum, a Lipcsei Egyetem idegtudósa és a kommentár társszerzője Gerberrel. Lehetővé teszi, hogy ne csak egy, két vagy három neuront nézzen meg, hanem egy teljes sejthálózatot.

A kutatók a gomba testét vizsgálták, amely az agynak a tanulás és a memória szempontjából kritikus része a gyümölcslégylárvák és a felnőttek számára. A régió egy csomó neuronból áll, hosszú axonális farokkal, amelyek párhuzamos vonalakban helyezkednek el, mint egy gitár húrjai. Ezek a neuronok bemeneti és kimeneti neuronokon keresztül kommunikálnak az agy többi részével, amelyek be- és kiszövődnek a húrokba, és olyan kapcsolati hálózatot hoznak létre, amely lehetővé teszi a rovar számára, hogy a szagokat jó vagy rossz tapasztalatokkal társítsa. Ezek a hálózatok különálló számítási rekeszekbe vannak elrendezve, mint például a gitár sávjai között. Minden rekesznek van egy feladata, például egy legyet valami felé vagy onnan elvezetni.

Truman és csapata azt találta, hogy amikor a lárvák metamorfózison mennek keresztül, 10 idegi kompartmentjük közül csak hét épül be a kifejlett gomba testébe. Ezen a héten belül néhány idegsejt elpusztul, néhányuk pedig átalakul, hogy új felnőtt funkciókat láthasson el. A gomba testében lévő neuronok és azok bemeneti és kimeneti neuronjai közötti összes kapcsolat feloldódik. Ebben az átalakulási szakaszban „ez egy olyan végső buddhista helyzet, ahol nincs bemenet, nincs kimenet” – mondta Gerber. "Csak én vagyok, jómagam és én."

A három lárvarekeszben lévő bemeneti és kimeneti neuronok, amelyek nem épülnek be a kifejlett gomba testébe, teljesen feladják régi identitásukat. Kilépnek a gomba testéből, és a felnőtt agyban máshol beépülnek az új agyi áramkörökbe. "Nem tudhatnád, hogy ugyanazok az idegsejtek, kivéve, hogy genetikailag és anatómiailag is végig tudtuk követni őket" - mondta Truman.

A kutatók azt sugallják, hogy ezek az áttelepülő neuronok csak ideiglenes vendégek a lárva gomba testében, egy ideig ellátják a szükséges lárvafunkciókat, de aztán visszatérnek ősi feladataikhoz a felnőtt agyban. Ez összhangban van azzal az elképzeléssel, hogy a felnőtt agy a családon belüli idősebb, ősi forma, az egyszerűbb lárva agy pedig egy származtatott forma, amely sokkal később jött létre.

Az átalakult lárva neuronokon kívül a lárva növekedésével számos új neuron is születik. Ezeket a neuronokat a lárva nem használja, de a metamorfózis során bemeneti és kimeneti neuronokká válnak kilenc új, felnőttekre jellemző kompartment számára.

A lárvában lévő gombatest nagyon hasonlít a felnőtt változathoz, mondta Thum, de "az újrahuzalozás nagyon intenzív". Mintha egy számítási gép bemenetei és kimenetei megszakadtak volna, de valahogy mégis megőrizték vezeték nélküli funkciójukat – mondta Gerber. „Majdnem olyan, mintha szándékosan húzná ki, majd újra csatlakoztatná” a gépet.

Ennek eredményeként a felnőtt agy gombateste „alapvetően… teljesen új szerkezet” – mondta K. VijayRaghavan, emeritus professzor és az Indiai Nemzeti Biológiai Tudományok Központjának korábbi igazgatója, aki a lap főszerkesztője volt, és nem vett részt a tanulmányban. Nincs anatómiai jele annak, hogy az emlékek fennmaradhattak volna – tette hozzá.

Az emlékezet törékenysége

Williams szerint a kutatókat izgalomba hozta ez a kérdés, hogy a lárva emlékei át tudnak-e vinni a kifejlett rovart, de a válasz nem volt egyértelmű.

Az emlékek, amelyek a gyümölcslégy gombatestében élnek, asszociatív emlékek, olyanok, amelyek két különböző dolgot kapcsolnak össze – például olyan típusú emlékek, amelyek miatt Pavlov kutyái nyáladzottak egy csengő hangjára. A gyümölcslégy esetében az asszociatív emlékek jellemzően a szagokat foglalják magukban, és a legyet valami felé vagy onnan elvezetik.

Azonban azon következtetésük, hogy az asszociatív emlékek nem maradhatnak fenn, nem biztos, hogy minden fajra igaz. A lepkék és bogarak lárvái például bonyolultabb idegrendszerrel és több idegsejttel kelnek ki, mint a gyümölcslégylárváké. Mivel idegrendszerük bonyolultabbnak indul, előfordulhat, hogy nem kell annyira átformázni őket.

Korábbi tanulmányok bizonyítékokat találtak arra, hogy bizonyos fajoknál más típusú emlékek is fennmaradhatnak. Például Gerber elmagyarázta, a megfigyelések és a kísérletek arra utalnak, hogy sok rovarfaj előszeretettel szaporodik ugyanazon a növényfajtán, ahol érett: az almafákon született és felnövő lárvák később felnőtt korukban hajlamosak tojást rakni az almafákra. "Szóval az ember kíváncsi, hogyan kapcsolódik ez a két megfigyelési típus" - mondta. Hogyan maradnak át ezek a preferenciák, ha az emlékek nem? Az egyik lehetőség az, hogy az asszociatív emlékek nem maradnak át, de az agy más részein található más típusú emlékek igen, mondta.

Az adatok lehetőséget kínálnak arra, hogy összehasonlítsák az idegrendszer fejlődését azoknál az állatoknál, amelyek átalakulnak, és amelyek nem. A rovarok idegrendszere eléggé konzervált volt az evolúció során ahhoz, hogy a kutatók pontosan meg tudják határozni az egyenértékű neuronokat a közvetlenül fejlődő fajokban, például a tücskökben és a szöcskékben. A köztük lévő összehasonlítások választ adhatnak olyan kérdésekre, mint például, hogy az egyes sejtek hogyan változtak egyetlen identitásúról több azonosságra. Ez „egy hihetetlenül hatékony összehasonlító eszköz” – mondta Williams.

Thum szerint érdekes lenne látni, hogy a különböző környezetben élő rovarfajok agya átrendeződik-e eltérően, és fennmaradhatnak-e az emlékek bármelyikben. Gerber kíváncsi arra, hogy a rovarok metamorfózisának sejtmechanizmusai ugyanazok-e más állatokban, amelyek a folyamat különböző változataiban mennek keresztül, mint például a békává váló ebihalak vagy a medúzává váló mozdulatlan hidraszerű lények. „Még az is lehet, hogy elég őrült ahhoz, hogy azon tűnődjön, vajon a pubertást egyfajta metamorfózisként kell-e tekintenünk” – mondta.

Truman és csapata most azt reméli, hogy lemerülhetnek a molekuláris szintre, hogy megtudják, mely gének befolyásolják az idegrendszer érését és evolúcióját. 1971-ben a kutatók egy elméleti tanulmányukban azt feltételezték, hogy egy génhármas irányítja a rovarok metamorfózisának folyamatát, ezt az elképzelést Riddiford és Truman is megerősítette egy 2022 papír. De a mechanizmusok mögött, hogy ezek a gének hogyan alakítják át a testet és az agyat, továbbra is tisztázatlanok.

Truman végső célja az, hogy rávegyen egy neuront, hogy a lárva agyában felvegye felnőtt formáját. A folyamat sikeres feltörése azt jelentheti, hogy valóban megértjük, hogyan hoznak létre ezek a rovarok több identitást az idő múlásával.

Nem ismert, hogy az agy más részein milyen minták lennének az átszervezések. Valószínű azonban, hogy a gyümölcslégy mentális képességeinek és a világra adott válaszainak bizonyos aspektusait, akár tudatosak, akár nem, a lárvaélete alakítja – mondta Truman. "A kihívás abban rejlik, hogy megpróbáljuk kideríteni ezeknek a hatásoknak a természetét és mértékét."