Колебания головы помогли рыбе-молоту быстро плыть
Американские биологи обнаружили, что кинематика движения молотоголовых акул при плавании определяется не только колебанием хвостового плавника, но и колебаниями головы рыбы с большой частотой. При этом значение почти всех параметров, описывающих движение акулы, не зависит от ее размера. К таким выводам ученые пришли, сравнив плавание двух видов акул, размер которых отличается почти в два раза. Исследование опубликовано в Journal of Experimental Biology.
Известно, что плавание рыб достаточно хорошо оптимизировано. Для того, чтобы развивать большую скорость, рыбам удается затрачивать достаточно небольшую энергию. Это получается за счет жесткой связи между длиной тела, частотой и амплитудой колебаний хвостового плавника и скоростью. Описывается эта связь с помощью безразмерного числа Струхаля, которое практически у всех рыб находится в узком диапазоне от 0,2 до 0,4, и отношением амплитуды колебания хвоста рыбы к длине ее тела.
В своей новой работе американские биологи показали, что у молотоголовых акул на скорость и маневренность плавания сильно влияет и движение головой-молотом. Для этого они сравнили плавание акул двух видов: крупную бронзовую акулу-молота (Sphyrna lewini) и малую акулу-молота (она же акула-лопата, Sphyrna tiburo).
Тело одной из самых крупных молотоголовых акул бронзовой акулы-молота обычно имеет длину от полутора да трех метров и массу от нескольких десятков до ста килограмм. Рыба-лопата — наоборот, одна из самых маленьких молотоголовых акул, длина ее тела обычно не превышает одного метра, а масса тела составляет около десяти килограмм. Отношение ширины головы-молота к телу для этих акул тоже отличается. Если для бронзовой акулы-молота оно может достигать 50 процентов, то для акулы-лопаты не превышает 18 процентов.
Особенности движения этих двух видов ученые сравнили, проанализировав видеозаписи с акулами, плавающими в крупных водоемах. Кинематику движения представителей двух видов ученые сравнили по следующим параметрам: отношение скорости рыбы и амплитуды колебаний его хвостового плавника к длине ее тела, частоту колебаний хвоста и число Струхаля. Оказалось, что по всем этим параметрам плавание двух рыб разного размера не отличается.
По результатам анализа движения рыб ученые предположили, что при плавании рыба-молот использует два типа колебаний: кроме обычных для все рыб колебаний хвостового плавника, молотоголовые акулы дополнительно используют колебательные движения головы. Частота колебательных движений передней части тела заметно превышает частоту колебаний остального тела: акула совершает примерно одно колебание хвоста в секунду, а частота колебаний передней части тела примерно в два раза выше. По предположениям ученых частота колебаний головы связана с формой поперечного сечения передней части тела, которая задает жесткость тела и ограничивает его подвижность и амплитуду возможных колебаний.
Известно, что для всех молотоголовых акул чем больше размер вытянутой в горизонтальном направлении головы, тем меньше размер их грудных плавников, то есть часть функций этих частей тела связаны между собой. Поэтому ученые предполагают, что такие быстрые колебания головы не только помогают акуле быстрее и маневреннее плавать, но и нужны ей для сканирования пространства вокруг себя.
Наличие молота характерно не только для акул, но наблюдалось, например, у ихтиозавров. Отношение ширины молота к длине тела у такого динозавра было довольно маленьким, поэтому, вряд ли он сильно помогал им плавать, и основной функцией такого образования на голове была помощь в поедании донных водорослей.
Александр Дубов
Но сработала только низкая доза
Ученые из США ввели макакам-резус белок Клото. Уровень сывороточного Клото вырос в пять раз после инъекции белка. В итоге обезьяны почти на 20 процентов лучше справились с задачей на память, и эффект не прошел даже после двух недель. Но если на мышах работали разные дозы белка, то макакам хватило 10 микрограмм на килограмм массы тела — большие дозы не улучшали память. Результаты опубликованы в Nature Aging. В конце 20 века ученые открыли белок Клото (Klotho), который назвали в честь древнегреческой богини, прядущей нить жизни. Выяснилось, что мыши с дефектным геном Klotho начинают стареть уже спустя 3–4 недели после рождения, а еще у них развивается остеопороз, атеросклероз и другие патологии, а к двум месяцам они умирают. Мыши, чрезмерно экспрессирующие Klotho, напротив, живут на 20–30 процентов дольше, а их память лучше. Еще сверхэкспрессия белка защищала мозг мышей от повреждений, связанных с болезнями Альцгеймера и Паркинсона. Люди с повышенными уровнями белка тоже живут дольше, их когнитивные способности лучше, а еще у них ниже риск развития деменции и болезни Альцгеймера. В организме синтезируется две формы белка Клото — трансмембранная и секретируемая. В крови еще циркулирует растворимая форма белка, которая получается, когда ферменты отрезают от трансмембранного белка кусок. Растворимая форма может действовать как гормон, влияя на сигналинг инсулина, фактора роста фибробластов (FGF), функцию Wnt и NMDAR. Растворимую форму Клото вводили мышам в виде инъекций, и это повышало синаптическую пластичность, улучшало познание и устойчивость нейронов к старению. Стейси Кастнер (Stacy A. Castner) из Йельской школы медицины и ее коллеги решили проверить, улучшится ли память у нечеловеческих приматов, макаков-резус (Macaca mulatta), если им подкожно ввести белок Клото. Макаки-резус, как и люди, страдают от возрастного когнитивного снижения, хотя и без значительной потери нейронов. Сначала белок Клото макак ученые ввели мышам — в дозировке 10 микрограмм белка на килограмм массы тела. В предыдущих исследованиях такая доза увеличивала синаптические и когнитивные функции мышей. Здесь спустя 4 часа у мышей улучшилась синтетическая пластичность и рабочая память, которую проверяли в У-образном лабиринте. Уровень белка Клото в сыворотке мышей после инъекции увеличился в шесть раз. Затем ученые попытались повысить уровень белка в сыворотке стареющих макак, которым было в среднем около 22 лет (что эквивалентно человеческим 65), до того же уровня. Для этого они вводили макакам разные дозы Клото: от 0,4 до 30 микрограмм на килограмм массы тела. Доза в 10 микрограмм на килограмм повысила уровень сывороточного белка в пять раз. Уровень Клото в человеческой пуповинной крови тоже примерно в пять раз выше, чем в крови взрослых, — поэтому на дозе в 10 микрограмм ученые и остановились. Обезьян учили запоминать расположение отсека с пищевым вознаграждением, и таким образом оценивали их рабочую память. Задачи с нормальной сложностью, в которых было от 4 до 7 отсеков, они выполняли успешно, но не всегда справлялись с повышенной сложностью, когда отсеков было уже от 6 до 9. Уже через четыре часа после однократной инъекции белка Клото макаки стали лучше решать задачу, особенно — ее сложный вариант. Процент правильных ответов в сложной задаче увеличился с 45 до почти 60 (P = 0,0077). Этот эффект сохранялся спустя две недели и не зависел от пола. А вот более высокие дозы — 20 и 30 микрограмм на килограмм массы тела — не привели к когнитивному улучшению у макак, но и хуже не сделали. В отличие от обезьян, на мышей в предыдущих исследованиях высокие дозы белка действовали положительно. Возможно, слишком высокие дозы нарушают метаболизм у нечеловеческих приматов. Авторы предположили, что когнитивного улучшения у людей также можно будет достичь с помощью небольших, физиологических доз гормона. Также ученым еще предстоит выяснить, как сигналы белка передаются в мозг, поскольку введенный в кровь Клото сам не пересекает гематоэнцефалический барьер. Не так давно ученым удалось улучшить рабочую память людей, посветив на мозг лазером — через кожу и череп. До стимуляции люди могли запомнить 3–4 фигуры на картинке, а после — 4–5.