Изгибы раковины моллюска объяснили быстрым ростом мантии
Сложная форма раковины двустворчатых моллюсков и плеченогих — результат механических взаимодействий частей мантии друг с другом и раковиной. Это с помощью математической модели роста раковины показали британские физики. Результаты работы модели затем подтвердили на данных, полученных на образцах раковин нескольких видов плеченогих и двустворчатых. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Тело двустворчатых моллюсков (Bivalvia) и плеченогих (Brachiopoda) защищено раковиной из карбоната кальция, которая формируется на протяжении всей их жизни. Иногда животным приходится открывать ее — например, чтобы поесть, но большую часть времени раковина плотно закрыта, что обеспечивает анатомический замок — комбинация зубчиков на одной створке и соответствующих им углублений на другой. Форма раковины и замка зависит от многих факторов — каждое повреждение или изменение условий среды в процессе роста может изменить их геометрию.
Главную роль в формировании раковины играет складка тела моллюска или плеченогого, которая называется мантией. Она состоит из двух частей, и каждая часть отвечает за выращивание своей створки. Края мантии выделяют органическое вещество, преимущественно состоящее из полисахаридов и гликопротеинов. Оно становится матрицей для выращивания неорганической части раковины — кристаллов карбоната кальция.
Органическая структура контролирует процесс роста, буквально указывает кристаллам, когда и где они должны сформироваться. Правая и левая часть раковины могут быть существенно асимметричны, однако их края всегда идеально прилегают друг к другу, создавая плотное соединение. Считается, что такую синхронизацию обеспечивает механизм распознавания молекулярных паттернов, который контролирует трехмерный морфогенез раковины, но трехмерных моделей, подтверждающих эту гипотезу, пока нет.
Дерек Моултон (Derek Moulton) из Оксфордского университета и его коллеги выдвинули другую гипотезу. По их мнению, форму анатомического замка определяют только механические ограничения внешней среды и взаимодействие частей мантии друг с другом и раковиной.
Основываясь на этом предположении, ученые построили компьютерную модель роста раковины. На трехмерной поверхности, моделирующей раковину, они задали поле скоростей роста: векторы скоростей расширения раковины и ее закручивания. С помощью модели они показали, что волнистый край створок образуется, когда мантия растет быстрее раковины — разница в скоростях роста приводит к механическим напряжениям, которые изгибают раковину.
После этого ученые провели синхронизацию концов створок и вывели два универсальных правила: совпадение плоскостей орнаментации (изгиба створок) раковин и совпадение фаз этих орнаментаций. Механическое взаимодействие частей мантии обеспечило выполнение обоих условий: таким образом, формирование узоров на поверхности створок и синхронизация их концов не требуют каких-либо нервных сигналов или генетических процессов, считают авторы.
Ученые подтвердили составленную модель, сравнив ее предсказания с параметрами образцов плеченогих и двустворчатых. Для этого они исследовали 59 различных раковин: внешний контур раковины аппроксимировали логарифмической спиралью, а линию замка — синусоидой. Основываясь на данных аппроксимаций, математики измерили степень асимметрии каждой раковины и сравнили реальные и предсказанные моделью амплитуды орнаментации. Коэффициент корреляции между экспериментальными и теоретическими данными был равен 0,67.
Авторы работы считают, что принципы работы их модели можно использовать и для других живых существ, части тела которых обладают свойством синхронизации линии соединения. Самый яркий пример — насекомое вида Issus coeleoptratus, в ногах которого есть конструкции, похожие на шестеренки.
Другая важная часть раковины двухстворчатых моллюсков — перламутровый защитный слой: два года назад биологам удалось синтезировать отвечающий за его формирование белок в кишечной палочке.
Олег Макаров
С помощью модуляции дофаминовой сигнализации
Американские ученые разработали аденоассоциированный вирусный вектор, который несет ген, кодирующий человеческий глиальный нейротрофический фактор (GDNF). Введение этого вектора макакам-резусам с симптомами алкоголизма снижало вероятность злоупотребления алкоголя в течение года. Как сообщается в журнале Nature Medicine, такое изменение в поведении сопровождалось нейрофизиологическими модуляциями дофаминовой сигнализации в прилежащем ядре, которая обычно страдает при хроническом употреблении алкоголя. Несмотря на то, что расстройства, связанные с употреблением алкоголя, наносят огромный экономический и социальный ущерб, существует лишь несколько эффективных фармакотерапевтических средств. При этом не существует подходов, которые бы непосредственно воздействовали на лежащие в основе адаптации нейронные контуры, которые формируются при длительном употреблением алкоголя и лежат в основе алкогольной зависимости. Команда ученых под руководством Кристофа Банкевича (Krystof Bankiewicz) из Университета штата Огайо исследовала, как на эти схемы мог бы повлиять глиальный нейротрофический фактор (GDNF), поскольку известно, что он принимает непосредственное участие в регуляции дофаминергических нейронов (они непосредственно связаны с развитием алкоголизма). Для этого авторы разработали аденоассоциированный вирусный вектор, который несет ген, кодирующий человеческий GDNF. Поскольку неспособность длительно отказываться от алкоголя и неспособность сократить количество потребляемого алкоголя выступают двумя основными проблемами у людей с алкогольной зависимостью, ученые смоделировали такое поведение у макак. Они многократно повторяли циклы ежедневного опьянения с последующим воздержанием от алкоголя. Когда необходимые паттерны поведения были достигнуты, макаки-резусы четыре недели пили воду вместо этанола. Затем каждой обезьяне в мозг вводили либо экспериментальный, либо контрольный вектор. Через два месяца макакам возобновили доступ к алкоголю на четыре недели. В общей сложности ученые шесть раз повторили циклы принудительного воздержания и повторного введения алкоголя, чтобы смоделировать подобные циклы. Экспериментальный вектор значительно снижал потребление алкоголя в периоды повторного введения алкоголя в течение года (р ≤ 0,001). Причем у макак из экспериментальной группы наблюдалось снижение максимальной дозы потребляемого алкоголя уже в первый день после абстиненции (р ≤ 0,0001). Магнитно-резонансная томография и гистологические исследования тканей мозга показали, что лечение вектором с GDNF восстанавливало дофаминергическую функцию в прилежащем ядре, которая обычно снижена в мезолимбической системе после хронического употребления алкоголя. Повышенная экспрессия GDNF увеличивала доступность и использование дофамина в пути вознаграждения макак до значений, сравнимых со здоровыми макаками. Это доклиническое исследование показывает возможность нового подхода к лечению алкоголизма — с помощью генной терапии. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение подробного профиля безопасности препарата у животных. Недавно мы рассказывали, что тягу к алкоголю (и другим веществам) можно зафиксировать с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии.