Как стать моделью

Львиная доля биологических экспериментов сегодня проводится на мышах. По строению и физиологии они совсем как люди, а кое в чем даже лучше: плодятся быстро, изысканной еды и просторных апартаментов не требуют. И хотя мыши изучены вдоль и поперек, да и к работе с ними все привыкли, в ближайшие десятилетия в некоторых областях науки четвероногие грызуны могут утратить статус самых популярных лабораторных животных. Вытеснить мышей могут головоногие моллюски. Объясняем, чем они удобны и какие процессы в человеческом организме помогают объяснять.

Ученым-биологам часто приходится прибегать к опытам на модельных организмах, чтобы понять, как те или иные процессы протекают в теле человека и других животных, которых по тем или иным причинам нельзя исследовать непосредственно. Ожидается, что общие физиологические свойства и поведенческие черты модельных и целевых организмов позволяют перенести знания, полученные в результате экспериментов над первыми, на вторые.

В биомедицине и науках о поведении эксперименты с моделями востребованы на каждом шагу. Так как параметры моделей поддаются модификации, ученые ставят все новые и новые эксперименты в духе «что будет, если объект Х поместить в условия Y». Использование модельных животных (а порой и бактерий, грибов и растений) позволяют лучше понимать устройство человеческого тела и закономерности работы живых организмов вообще.

Кто может быть моделью

При этом набор видов, чьи представители применяются как животные модели, не очень велик. Отчасти это связано с традицией, взяв один организм, исследовать его с головы до пят в попытке понять о нем все что возможно. На остальных животных при этом остается куда меньше времени, сил и денег.

Но есть и другая причина: необходимо, чтобы животное соответствовало определенным критериям «модельности». Если мы хотим изучить механизмы зрения, глупо ставить эксперименты над представителями видов, которые слепы от рождения.

Но модельный организм должен отвечать и ряду других условий. Необходимо, чтобы работа с ним, в целом, не вызывала затруднений. Хорош тот, кто не требует много места, быстро взрослеет и обильно размножается, ест что дают и не нападает лишний раз на экспериментатора, да и убегать не стремится.

В последнее время к этому списку добавился еще один критерий — животное не должно быть слишком умным. В противном случае модельное животное поймет, что с ним творят что-то не то против его воли, ему будет страшно и неприятно. Поэтому в ряде стран запрещают экспериментировать на человекообразных обезьянах.

Зато всем перечисленным требованиям соответствуют лабораторные мыши — потомки домовых Mus musculus. За последний век ученые проделали над ними столько экспериментов, что определили все последовательности нуклеотидов в мышиных генах (то есть собрали полный мышиный геном), начали строить подробную карту связей мышиного мозга и научились выводить новые линии этих грызунов для специфических нужд.

Но в качестве животной модели даже мыши не идеальны. Дело в том, что любой модельный организм может в чем-то оказаться исключением. К примеру, грызуны в массе своей сами вырабатывают витамин С, но морские свинки не умеют этого делать (как и многие летучие мыши, и ряд приматов, включая человека), хотя по их внешнему строению и макроанатомии этого не скажешь. Поэтому данные, полученные на одном объекте, желательно проверять на другом.

И еще один аргумент: честно говоря, мыши не очень умны. У них есть какие-то внутригрупповые отношения, но не такие сложные, как у обезьян. А еще за их развитием было бы удобнее (и бескровнее) наблюдать, если бы их эмбрионы были прозрачными и развивались вне тела матери. С этой точки зрения головоногие моллюски — экспериментальные объекты получше.

Любимцы Аристотеля

Осьминоги, кальмары и каракатицы давно занимают умы биологов. Еще у Аристотеля одним из любимых объектов наблюдения была сепия, она же обыкновенная или лекарственная каракатица (Sepia officinalis).

В многотомном зоологическом трактате «История животных» древнегреческий философ рассказал, как эти животные размножаются и ускользают от опасности. Он думал даже, что отыскал сердце моллюска, митис, но позднейшие исследователи выяснили, что на самом деле это печень, а сердец у каракатицы целых три.

Было и обратное. Аристотель обнаружил у самцов этих головоногих половое щупальце, гектокотиль. Однако до XIX века считалось, что это не часть моллюска, а паразитический червь — очень уж часто гектокотили находили в отрыве от самцов где-нибудь в складках мантии самок.

Но современных биологов прежде всего заинтересовали глаза головоногих. Они устроены почти так же, как человеческие, только лучше. У нас и всех остальных позвоночных светочувствительная часть глаза, сетчатка, как бы вывернута наизнанку. Поэтому фоторецепторы находятся на максимальном удалении от источника света, а саму сетчатку пронзает зрительный нерв, из-за чего образуется слепое пятно. У головоногих моллюсков сетчатка не инвертирована, слепых пятен на ней нет.

До сих пор не вполне понятно, как так вышло, что у более древних и (якобы) примитивных организмов глаза устроены рациональнее, чем у такого, казалось бы, совершенного существа, как человек. Еще интересно, как у представителей совершенно разных эволюционных ветвей получились столь похожие структуры, ведь типов глаз на самом деле огромное множество.

Сегодня ученые склоняются к мнению, что мы имеем дело с примером конвергенции. Ген PAX6, управляющий развитием глаз, у людей и осьминогов представлен совсем разными вариантами, а сигнальный путь, который определяет у кальмаров развитие хрусталика, у нас управляет формированием конечностей. Тем интереснее изучать, какими глазными болезнями могут страдать головоногие.

Преимущество крупных нейронов

Глаза — лишь часть нервной системы. А она у кальмаров, каракатиц и осьминогов интересна сама по себе, потому что представлена не нервной трубкой и ее выростами, как наша, а нервными узлами — ганглиями. Это принципиально другой тип устройства, в нем вычислительные мощности более распределены, чем в нервной системе позвоночных.

В нашем мозге концентрируется львиная доля нервных клеток, а на остальные компоненты нервной системы остается всего ничего. У обладающих ганглиями централизация не так сильно выражена и редко встречаются узлы, перетянувшие почти все нейроны на себя.

При этом умственные способности головоногих моллюсков не так уж сильно отличаются от человеческих. Как и у прочих моллюсков, нейроны головоногих существенно крупнее, чем аналогичные клетки позвоночных, а численно их меньше. Благодаря этому ученые научились отделять конкретные нейроны от общей массы и смотреть, как они себя ведут.

В 1930-е годы кальмар Doryteuthis pealeii помог Алану Ходжкину и Эндрю Хаксли установить, как образуется и проходит по клетке нервный импульс. Нейрон кальмара был достаточно крупным, чтобы видеть его тело и отростки невооруженным глазом. Это облегчило установку внутриклеточных стеклянных электродов, позволивших зарегистрировать разность потенциалов между нейроном и его окружением в покое и при активации этой клетки.

Так появились термины «потенциал покоя» и «потенциал действия». На них зиждется вся современная клеточная электрофизиология.

У крупных нейронов есть еще одно преимущество: в них умещается больше белка, РНК и ДНК. Поэтому на нервной системе головоногих проще проводить количественный анализ протеома (совокупности белков) и транскриптома (совокупности мРНК, кодирующих эти белки) отдельных клеток или даже конкретных синапсов — мест контакта нейронов с другими клетками.

Знать, какие мРНК и белки образуются в таких местах, необходимо, чтобы понимать молекулярные механизмы памяти. Тот факт, что при обучении, то есть формировании памятного следа в синаптических структурах, вырабатываются новые белки (не те, что в покое), впервые установили на моллюсках — правда, не на головоногих, а на брюхоногом морском зайце аплизии.

Матричная РНК осьминогов, кальмаров и каракатиц интересна сама по себе. В ней часто возникают модификации: ферменты ADAR (аденозиндезаминазы, действующие на РНК) превращают аденозин в другой нуклеотид — инозин. Это бывает и у насекомых, и у млекопитающих, но в десятки раз реже, чем у головоногих. Дело в числе сайтов, на которые могут садиться ADAR. У человека и дрозофилы такие сайты есть в 1–4 процентах всех мРНК, а у кальмаров, осьминогов и каракатиц — примерно в 50 процентах или даже больше.

Перекодирование РНК — а именно так называется перевод аденозина в инозин — в теории позволяет кодировать одним геном очень много белков. С гена (последовательности нуклеотидов ДНК) списывается несколько копий мРНК, и в каждой такой копии аденозиндезаминазы могут действовать по-разному. Получается несколько разновидностей рибонуклеиновой кислоты, кодирующих не совсем такой же белок, как изначальная мРНК.

Зачем частые модификации нужны головоногим моллюскам, не всегда понятно, но, по всей видимости, они напрямую связаны с работой нервной системы. Антарктическим видам редактирование ДНК позволило изменить структуру калиевых каналов, оптимизировав их для работы в холодной воде. Калиевые каналы встречаются на клетках многих типов, но играют особо важную роль в проведении нервного импульса. У наутилусов — это тоже головоногие, но умом они не отличаются — РНК модифицируется гораздо реже, чем у кальмаров, осьминогов и каракатиц.

Еще кодирование множества белков одним геном, по-видимому, замедляет эволюцию генома. Хорошо это или плохо, однозначно не скажешь, но ясно одно: раз умные головоногие прожили полмиллиарда лет с этой своей особенностью, значит, массированное редактирование РНК дало им нечто очень ценное и полезное. Скорее всего, «нечто ценное» в данном случае — это большая нейронная и, как следствие, поведенческая пластичность. Которую неплохо бы изучить подробнее.

Хранилища для бактерий

Прежде чем перейти к рассказу о поведении головоногих, следует еще немного поговорить об их геноме. Хотя его эволюция и заторможена, он довольно сильно реорганизован по сравнению с геномом первой гипотетической билатерии (двусторонне-симметричного существа; к группе Bilateria относимся и мы с вами). Сделано это было, видимо, для того, чтобы кальмары и осьминоги могли эффективно сосуществовать с симбионтами — бактериями Vibrio fischeri и некоторыми другими микробами.

Ряд генов, участвующих в обработке световых стимулов кальмарами и осьминогами либо отвечающих за иммунные реакции, особым образом ведут себя в специализированном световом органе гавайского кальмара Euprymna scolopes. Люминесцентные бактерии обеспечивают моллюску камуфляж и задают ритм его внутренним часам.

В других необычных органах, нидаментальных железах, тоже присутствуют бактерии. Судя по всему, они помогают защитить яйца головоногих (сами железы присутствуют у самок и занимаются тем, что формируют оболочки вокруг их яиц).

Данные о строении генома Euprymna scolopes свидетельствуют, что световые органы развились из глаз как хранилища бактерий-симбионтов благодаря специализации «глазных» генов. Нидаментальные железы во многом преследуют те же цели, но их происхождение не такое, как у световых органов.

Получается, знания о строении ДНК кальмаров (на самом деле и каракатиц, и осьминогов) позволяют пролить свет еще и на эволюцию симбиотических отношений животных и бактерий. Они ведь не ограничиваются человеческим и мышиным «кишечным мозгом» и фекальными трансплантатами, о которых сейчас так много пишут (например, здесь, здесь и здесь).

Лего для осьминогов

Теперь самое интересное — поведение головоногих. Моллюсков стоило бы подробнее изучить только ради него.

В конце девяностых годов Дженнифер Метер (Jennifer A. Mather) из Летбриджского университета и Роланд Андерсон (Roland C. Anderson) из аквариума Сиэтла бросали в индивидуальные жилища восьми осьминогам-подросткам вида Enteroctopus dofleini по четыре пластиковые баночки из-под витаминов — две белые и две черные — в разной последовательности. (В скобках отметим, что подростки этого вида имеют массу более 10 килограммов, а взрослые особи — от 15 до 50, причем они нередко питаются себе подобными.)

В баночках был только воздух, поэтому они не тонули, а оставались на поверхности воды. Осьминоги подплывали к ним, хватали щупальцами, отбрасывали струей воды и снова хватали. Никакого адаптивного смысла в этих действиях не было, так что они вполне подходили под критерии игры. Как правило, через полчаса животные привыкали к игрушкам и теряли к ним интерес.

Ученые не просто так выбрали для эксперимента незрелых особей. Подростки больше взрослых склонны к исследовательскому поведению и менее опытны как охотники. Никого не удивляет, что щенкам и котятам матери приносят полузадушенную добычу, чтобы те учились с ней обращаться. Так почему умные головоногие не способны на подобное? Правда, необходимо отметить, что осьминоги вряд ли когда-либо встречаются с родителями, так как те умирают до вылупления потомства.

Так биологи открыли, что играть умеют не только млекопитающие и птицы, но и головоногие моллюски. До тех пор беспозвоночным чаще всего отказывали в способности к этому виду деятельности. Интереснее всего то, что игровое поведение у них и у нас почти наверняка развилось независимо. Общий предок человека и осьминога навряд ли обладал столь мощным мозгом, позволяющим осуществлять столь сложные и на первый взгляд ненужные действия.

Метер продолжила исследовать умственные способности осьминогов и занимается этим до сих пор. В середине двухтысячных она изучала, как обыкновенные осьминоги (Octopus vulgaris) играют в кубики Лего. Оказалось, что склонность к игровой деятельности у этого вида не зависит от пола и возраста особи — однако детальками культового конструктора интересуется все-таки не каждый осьминог.

Простыми играми интеллект головоногих не ограничивается. Осьминоги Octopus briareus отличаются друг от друга темпераментом, и это влияет на их поведение в новых ситуациях как на воле, так и в лаборатории.

Представители того же вида Enteroctopus dofleini, у которых Метер впервые обнаружила склонность к играм с пластиковыми баночками, в 2010 году показали, что способны различать людей. На каждого из двух незнакомцев осьминоги реагировали разной сменой окраски и противоположным направлением движения щупалец.

На головоногих можно изучать даже такую модную и, казалось бы, чисто человеческую способность, как поведенческая латерализация. Говоря простым языком, это разница в пользовании правой и левой сторонами тела.

Среди каракатиц, как и среди нас с вами, выделяются правши, левши и амбидекстеры, притом левшей больше и они чаще получают благосклонность самок. Это выявили, когда наблюдали за драками самцов гигантских австралийских каракатиц Sepia apama. «Праворукость» и «леворукость» определяли по тому, каким глазом особь чаще обращена к сопернику, с какой стороны она к нему подплывает и откуда бьет.

На этом видео самец каракатицы одной стороной, повернутой к другому самцу, маскируется под самку, чтобы его не прогнали, а другой стороной, повернутой к самке, демонстрирует свой истинный пол.

Правда, и у моллюсков-правшей есть свои преимущества. Поскольку их меньше, самцы в массе своей не привыкли сражаться с такими соперниками. Удары правшей часто неожиданны для противника, и поэтому правши имеют больший процент побед, чем левши. Это и позволяет им размножаться: самка с большей охотой соглашается быть с победителем турнира (хотя и его может отвергнуть).

Головоногие как модели

Итак, осьминоги, кальмары и каракатицы — достойные модельные объекты для исследований генома и его эволюции; работы нервной системы, а конкретно зрения, памяти и обучения, в том числе транскриптомики и протеомики этих процессов; особенностей поведения, в том числе склонности к играм, умению владеть правой и левой сторонами тела и распознавать отдельных субъектов. И это не все, головоногих моллюсков можно изучать и для других целей.

Так за чем дело стало? Достаточно наловить головоногих, посадить их в аквариум, соорудить инкубаторы яиц (например, в Лаборатории морской биологии Чикагского университета их делают из обрезанных пластиковых бутылок) и разводить модельных животных в любых количествах.

Но тут есть сразу несколько затруднений. Во-первых, все головоногие — морские животные, а значит, им нужны аквариумы с тщательно настроенным составом воды и микроклиматом. Мало того, аквариумы занимают довольно много места.

Во-вторых, разным видам требуются не только неодинаковые температура и соленость, но и разная пища, и разный режим освещенности, и разное количество соседей. Многие головоногие активны преимущественно ночью, что затрудняет поведенческие наблюдения за ними.

В-третьих, самые умные моллюски, осьминоги, в массе своей индивидуалисты и вдобавок к этому каннибалы. Получается, что даже парами их селить рискованно и места для разведения осьминогов нужно особенно много. С кальмарами и каракатицами подобная проблема не стоит, наоборот, можно наблюдать за поведением разных моллюсков в группе.

В-четвертых, головоногие моллюски, как правило, живут недолго — от года до четырех-пяти лет. В большинстве случаев это очень мало, учитывая их размеры. Хорошо хоть головоногие успевают размножиться за свой непродолжительный век.

Интересно, что нечто подобное наблюдается и у интеллектуалов среди грызунов — крыс. Средняя продолжительность их жизни даже с учетом ветеринарного ухода и хорошего питания не превышает двух лет, в то время как звери сравнимого размера, шиншиллы, в неволе легко разменивают второй десяток.

Так работает «жидкая кожа» осьминогов, позволяя им мимикрировать под любую поверхность.

В-пятых, осьминоги, кальмары и каракатицы любят сбегать из ограниченных пространств, и им как мастерам маскировки это хорошо удается. Вполне может быть, что, находясь в лабораториях и океанариумах, они осознают свое тюремное положение и пытаются от него избавиться. И это подводит нас к самой главной проблеме.

Наконец, в-шестых, есть ощущение, что мы недостаточно хорошо понимаем головоногих моллюсков. Не знаем, на что в реальности способен их разум. Человеческий интеллект, по всей видимости, построен на совершенно других принципах — что в плане «харда», что в плане «софта». Сравнивать их и нас трудно, но может так оказаться, что по ряду параметров головоногие моллюски умнее.

Об этом часто задумываются работающие с ними ученые. Кто-то предлагает выработать специальные этические нормы для экспериментов с головоногими моллюсками. В Европейском Союзе этих животных сделали «почетными позвоночными» (о благополучии других беспозвоночных так не заботятся). Там при работе с головоногими нужно делать им анестезию, оберегать от серьезных стрессов и даже подвергать эвтаназии, если в противном случае боль и страдания неизбежны.

Пока центров изучения и разведения головоногих в исследовательских целях немного. Один из наиболее крупных находится в упомянутой выше Лаборатории морской биологии Чикагского университета. (В России, насколько известно автору, ученые таких моллюсков не разводят.) Но число публикаций об осьминогах, кальмарах и каракатицах в последние годы растет. Увеличивается и многообразие областей научного применения этих животных.

Так что, как знать? Может статься, что через полвека мы чаще будем видеть в лабораториях головоногих моллюсков, чем мышей.

Светлана Ястребова