Ученые объяснили медлительность слона и тираннозавра
Ученые из исследовательского центра биоразнообразия в Лейпциге (Германия) создали математическую модель, позволяющую предсказывать скорость животных на суше, в воде и в воздухе. Уравнение позволяет рассчитать максимальную скорость, которую способно развить животное, исходя только из его массы. Новая модель позволила наконец объяснить, почему самые большие животные — не самые быстрые. С выкладками можно ознакомиться в статье, опубликованной в Nature Ecology&Evolution.
Скорость передвижения животных является важной экологической характеристикой вида, объясняющей его взаимоотношения с хищниками или жертвами, партнерами, склонность к миграции. Наземные животные передвигаются, полагаясь только на свои мышцы, и при этом способны развивать очень большие скорости (рекордсмен среди млекопитающих, гепард способен разогнаться более чем до 100 километров в час). Простейшая модель зависимости скорости от силы предполагает, что чем больше животное, тем больше у него мышц, а значит, тем большую скорость оно способно развить.
Тем не менее, эта модель в определенный момент перестает работать — исходя из этой зависимости, слон должен бегать быстрее всех наземных животных, однако слоны более чем в два раза медленней гепардов.
Чтобы скорректировать зависимость силы от скорости, ученые разрабатывали более сложные модели, основываясь на биомеханике передвижения и морфологии отдельных животных. Новая модель немецких ученых по-прежнему базируется на зависимости скорости от количества мышц, однако учитывает особенность энергопотребления мускулатуры и время, необходимое для ускорения.
Бег на длинные дистанции требует эффективного использования ресурсов с участием кислорода, в то время как максимальная скорость достигается за счет использования мышцами доступного в данный момент запаса энергии в виде креатинфосфата. Однако если животное достаточно большое, ему требуется больше времени на разгон и доступной энергии на это время может просто не хватить. В результате, максимальная скорость оказывается ниже, чем могла бы, исходя из объема мышечной массы. Новая модель предсказывает, что зависимость скорости от массы до определенного значения является практически линейной, однако имеет критическую точку, после которой начинает загибаться, образуя горб.
Среда, в которой передвигается животное, также накладывает свои ограничения. Для суши, воды и воздуха авторы получили три разных зависимости, которые, тем не менее, укладываются в общую тенденцию. Изначально полученное уравнение было проверено на реальных данных об известных скоростях животных, принадлежащих к 474 видам, массой от 30 микрограммов до 100 тонн. Оказалось, что модель согласуется с реальностью в 90 процентах случаев, а значит, обладает хорошей предсказательной силой.
Пользуясь этим, авторы подсчитали скорость, с которой могли бы бегать вымершие животные, в частности, несколько видов динозавров. Оказалось, что тираннозавр, который весил около шести тонн, был довольно медлительным и мог бегать со скоростью 27 километров в час. Предыдущий вариант модели, учитывающей линейную зависимость силы от скорости, приписывал ящеру гораздо большие возможности — почти 130 километров в час. Предыдущая модель также утверждала, что трицератопс, который весил восемь тонн, убежал бы от тираннозавра. Однако по новым оценкам, максимальная скорость трицератопса составляла всего 24 километра в час.
Несмотря на хорошую предсказательную силу, новая модель имеет и выбросы, то есть данные, которые с ней не согласуются. Вероятно, в некоторых случаях скорость животных корректируется морфологическими особенностями, которые могли возникнуть, например, в результате совместной эволюции хищника и жертвы. Человек также плохо укладывается в эту модель. К примеру, скорость самого быстрого человека на Земле из ныне живущих, восьмикратного олимпийского чемпиона по бегу на короткие дистанции Усейна Болта, достигает 44 километра в час, притом что весит Болт, по данным с его официального сайта, всего в два раза больше среднего гепарда — 94 килограмма. По всей видимости, предки человека достаточно давно перестали полагаться на бег. Ранее мы писали, что для людей-бегунов математики разработали другую модель, способную предсказать, например, с какой скоростью Болт пробежит марафон.
Дарья Спасская
И еще четырех видов опухолей
Британские и датские иммунологи обнаружили на цитотоксических T-лимфоцитах рецептор, узнающий одновременно три разных опухолевых антигена. Пациент, у которого были обнаружены эти Т-клетки, смог достичь полной ремиссии меланомы четвертой клинической стадии. Такое строение T-клеточных рецепторов не дает клеткам опухоли ускользнуть от противоопухолевого иммунитета. Похожие типы Т-клеточных рецепторов есть и у здоровых людей, но их роль в противоопухолевом иммунитете пока неясна. Исследование опубликовано в виде статьи в журнале Cell. Клеточная терапия онкологических заболеваний направлена на введение в организм Т-лимфоцитов, узнающих фрагменты белков опухоли, выставляемые клетками на поверхности белков главного комплекса гистосовместимости (HLA-антигенов). Она позволяет добиться ремиссии во многих случаях, при которых другие виды лечения неэффективны. Но врачи часто сталкиваются с ускользанием опухолевого клона от такого иммунитета. Иногда достаточно нескольких месяцев, чтобы опухолевые клетки перестали экспрессировать маркер, который должны были узнавать лимфоциты. Хотя большинство Т-лимфоцитов узнают один эпитоп, некоторая часть из многообразия Т-клеточных рецепторов, образующихся в процессе созревания Т-клеток, узнает не один, а сразу несколько антигенов. Такие клетки есть и у здоровых людей, и у пациентов с аутоиммунными болезнями. Рецепторы, нацеливающие иммунную систему сразу на несколько молекул-мишеней, могли бы повысить эффективность клеточной терапии. Ведь даже если с поверхности опухоли исчезнет один антиген, то иммунный ответ против второго сохранится, и лечение останется эффективным. Шаг в сторону использования этого принципа в терапии сделала группа онкологов и иммунологов из Великобритании и Дании под руководством Эндрю К. Сьюэлла (Andrew K.Sewell) из Университета Кардиффа. На протяжении последних 15 лет они занимаются клеточной терапией меланомы. В рамках клинических исследований врачи забирали у пациентов клетки крови, отбирали среди них Т-лимфоциты, тропные к меланоме, и после культивации in vitro вводили клетки обратно пациентам. В одном из исследований, проведенном в 2011-2014 годах, участвовал пациент с четвертой клинической стадией меланомы, у которого клеточная терапия позволила добиться десятилетней ремиссии болезни (обычно же медианная продолжительность жизни с момента постановки диагноза у таких пациентов не превышает года). Ученые решили детально исследовать, с какими особенностями Т-клеточного ответа это было связано. Как выяснили иммунологи, почти вся противоопухолевая активность лимфоцитов пациента была связана одним лимфоцитарным клоном (его обозначили MEL8), который реагировал in vitro не только на меланому, но и на клетки острого миелолейкоза, опухоли молочной, предстательной и поджелудочной железы от других пациентов с таким же типом HLA-антигена (гаплотип HLA A*02:01, наиболее распространенный в мире). Это было неожиданно, ведь рецепторы этих Т-клеток чувствительны к белку мелану A, специфичному для меланоцитов и происходящих от них опухолей (включая меланому). Авторы создали библиотеку из 936 миллиардов декапептидных последовательностей и оценили in silico сродство рецепторов MEL8 к олигопептидам, связанным с HLA A*02:01. Такой скрининг позволил отобрать 500 пептидов, представленных в протеоме человека. Три из них — участки белков мелана А, BST2 и IMP2 — имели сродство к Т-клеточному рецептору MEL8 in vitro и при этом экспрессировались меланомой. У всех трех декапептидных последовательностей нашлась гомология и на уровне аминокислотной последовательности, и на уровне третичной структуры, что было подтверждено рентгеноструктурным анализом. Т-клетки, у которых есть рецепторы, тропные одновременно к мелану А, IMP2 и BST2, были обнаружены у здоровых добровольцев и у одного пациента с хроническим лимфолейкозом, но их количество было невелико. Обнаруженный вид поливалентного рецептора можно использовать и для лечения других пациентов: исследователи секвенировали последовательность Т-клеточного рецептора и трансдуцировали этой последовательностью другие линии лимфоцитов в рамках своих экспериментов. Следовательно, есть предпосылки для создания эффективной клеточной терапии опухолей или противоопухолевой вакцины. Впрочем, пока невозможно говорить, насколько безопасной было бы такое лечение, ведь исследование британских и датских ученых основано лишь на единичных наблюдениях пациентов с опухолями. Кроме того, распознавание эпитопов Т-клеточным рецептором зависит от варианта HLA.антигена, имеющегося у данного конкретного человека, и распространенность полимодальных Т-клеточных рецепторов у носителей разных вариантов HLA может отличаться. Даже сильного иммунного ответа против клеток меланомы может оказаться недостаточно для победы над болезнью — на эффективность лечения могут влиять такие факторы, как уровень тестостерона.