Резонирующие легкие помогли пастушьим квакшам услышать сородичей в гвалте других лягушек
Самки пастушьих квакш научились «глушить» голоса других видов лягушек, чтобы лучше различать брачные призывы сородичей. Для этого они используют наполненные воздухом и резонирующие легкие, которые передают звуки на барабанные перепонки и тем самым снижают амплитуду их колебаний в диапазоне от 1400 до 2200 герц. Именно на этих частотах поют другие виды амфибий, которые соседствуют с пастушьими квакшами. Как отмечается в статье для журнала Current Biology, ранее такой механизм шумоподавления у животных не отмечался, однако есть вероятность, что он широко распространен среди лягушек и жаб.
У большинства видов лягушек самки выбирают партнеров для спаривания, ориентируясь на их песни. Однако нередко на одном участке леса или водоема можно одновременно услышать голоса множества самцов, относящихся к нескольким видам амфибий. В подобном гвалте самкам становится непросто различить брачные призывы сородичей и оценить качество издающих их самцов. По сути, они оказываются в положении человека, который пытается слушать собеседника во время шумной вечеринки (это явление известно как «эффект коктейльной вечеринки»).
Команда исследователей во главе с Норманом Ли (Norman Lee) из Колледжа Святого Олафа решила выяснить, как справляются этой проблемой самки пастушьих квакш (Hyla cinerea) — эти небольшие лягушки распространены на юго-востоке США. Авторы предположили, что представители этого вида могут полагаться на уникальную для амфибий черту — способность передавать звук от легких на внутреннюю поверхность барабанных перепонок (через голосовую щель, ротовую полость, широкие евстахиевы трубы и средние уши).
Резонируя в ответ на звуки внешнего мира и передавая колебания в ухо, наполненные воздухом легкие могли бы усиливать или ослаблять восприятие определенных частот. Согласно гипотезе Ли и его коллег, у самок квакш этот механизм может использоваться, чтобы усиливать частоты, соответствующие брачным крикам сородичей, и/или отсекать те, что характерны для сигналов других видов лягушек.
Чтобы проверить данную идею, исследователи проигрывали звуки разной частоты самкам квакш с наполненными воздухом и сдутыми легкими и регистрировали амплитуду колебаний их барабанных перепонок. Сравнение показало, что наибольшие различия характерны для диапазона частот от 1400 до 2200 герц. В ответ на них барабанные перепонки лягушек с надутыми легкими колебались заметно слабее (сокращение амплитуды могло доходить до 10 децибел).
Воспользовавшись лазерной виброметрией, исследователи подтвердили, что наполненные воздухом легкие резонируют в данном диапазоне частот. Похожие результаты продемонстрировало компьютерное моделирование. Все это свидетельствует, что легкие служат режекторным фильтром и ослабляют колебания барабанных перепонок на частотах от 1400 до 2200 герц.
В то же время идея о том, что легкие самок пастушьих квакш усиливают брачные сигналы сородичей, не подтвердилась. Проанализировав 457 песен самцов этого вида, Ли и его коллеги обнаружили, что для них характерны два пика на частотах в 834 и 2730 герц. В ответ на звуки на этих частотах барабанные перепонки самок со сдутыми и надутыми легкими колебались примерно одинаково.
Таким образом, авторам удалось доказать, что легкие пастушьих квакш ослабляют восприятие звуков на частотах от 1400 до 2200 герц. Однако оставалось неясным, действительно ли этот механизм направлен против брачных сигналов других видов лягушек. Чтобы выяснить это, Ли с соавторами обратились к данным мониторинга численности и разнообразия североамериканских амфибий, собранным в 1994-2015 годах.
Проанализировав результаты учетов поющих бесхвостых амфибий в 26 штатах, охватывающих большую часть ареала пастушьей квакши, исследователи установили, что этот вид устраивает совместные хоры с 42 другими видами лягушек и жаб. В 79 процентах случаев в одновременном пении с квакшами участвовали представители 10 видов. Пять из них, ответственные за 42 процента таких случаев, издают сигналы с пиками на частотах от 1400 до 2200 герц. Например, у громкоголосой жабы Фаулера (Anaxyrus fowleri) в песне есть один пик, который приходится именно на этот диапазон. У других четырех видов песни содержат по два пика, один из которых приходится на диапазон от 1400 до 2200 герц.
Компьютерная симуляция показала, что надутые легкие позволяют пастушьим квакшам сократить колебания барабанных перепонок в ответ на пение этих пяти видов в среднем на четыре-шесть децибел. Наиболее сильный эффект был отмечен в случае брачных сигналов лягушки-быка (Lithobates catesbeianus), крикливой лягушки (L. clamitans) и лающей квакши (Hyla gratiosa). Первые два из этих видов особенно часто поют вместе с пастушьими квакшами. А лающая квакша приходится пастушьей близким родственником, так что ослабление ее сигналов можно рассматривать как эволюционный механизм, который обеспечивает защиту от гибридизации.
Ли и его коллеги полагают, что легкие, играющие роль пассивного режекторного фильтра, помогают квакшам тратить меньше энергии, обрабатывая внешний шум в мозге и пытаясь вычленить из него конспецифичные брачные сигналы. Учитывая, как сильно способность услышать самцов своего вида и выбрать лучших из них сказывается на репродуктивном успехе самок, неудивительно, что естественный отбор поддержал данную адаптацию.
Возможно, аналогичные механизмы используют и другие виды бесхвостых амфибий. На это намекают результаты предыдущих исследований некоторых видов лягушек из семейств Hylidae, Ranidae и Eleutherodactylidae: у них, как и у пастушьих квакш, легкие резонируют с частотой, которая находится между двумя пиками частот видоспецифичных брачных сигналов. Эти семейства относятся к двум надсемействам, которые разошлись более 150 миллионов лет назад, так что, возможно, способность «глушить» звуки с помощью легких появилась еще на заре эволюции лягушек и жаб и является их общим свойством.
Люди тоже научились заглушать нежелательные звуки, снижая их амплитуду с помощью систем активного шумоподавления. Подробнее о том, как они устроены, читайте в нашем материале «Много шума для тишины».
Сергей Коленов
Он повышает синтез высокомолекулярной гиалуроновой кислоты
Американские и российские исследователи обнаружили, что трансгенные мыши с повышенной экспрессией гена синтазы гиалуроновой кислоты от голых землекопов меньше подвержены спонтанному и индуцированному раку, дольше живут и дольше сохраняют здоровье. Кроме того, у таких животных значительно снижен уровень воспаления в различных тканях. Отчет о работе опубликован в журнале Nature. Голые землекопы (Heterocephalus glaber) выделяются среди грызунов крайне высокой продолжительностью жизни (в неволе — более 40 лет). Кроме того, у них слабее работают рецепторы внутреннего уха и механизмы торможения в нервной системе, зато замедлено клеточное старение и короче иммунная память (из-за чего у них больше наивных лимфоцитов для реакции на новые инфекции). Одно из главных отличий голых землекопов от других млекопитающих состоит в том, что они практически не болеют раком. Как было показано ранее, это связано с высоким содержанием в их тканях высокомолекулярной гиалуроновой кислоты. Этот гликозаминогликан составляет основу внеклеточного матрикса, участвует в пролиферации и миграции клеток, а также влияет на прогрессирование опухолей, причем его свойства зависят от молекулярной массы — высокомолекулярный обладает защитными свойствами, низкомолекулярный — наоборот. Голые землекопы продуцируют гиалуроновую кислоту с крайне высокой молекулярной массой (более 6,1 мегадальтона), которая оказывает мощную цитопротекцию. Чтобы проверить, производит ли она схожий эффект у других видов животных, сотрудники Университета Рочестера, Гарвардской медицинской школы, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Московского государственного университета под руководством Андрея Селуанова (Andrei Seluanov) и Веры Горбуновой (Vera Gorbunova) создали трансгенных мышей с управляемой повышенной экспрессией гена синтазы 2 гиалуроновой кислоты голого землекопа (nmrHas2). У самок и самцов таких животных наблюдалось повышенное содержание высокомолекулярной гиалуроновой кислоты в мышцах, сердце, почках и тонкой кишке; низкое — в печени и селезенке, утилизирующих ее. Тем не менее оно было ниже, чем у голых землекопов, что, вероятно, связано с более высокой активностью гиалуронидазы у мышей. Наблюдения в когортах из 80–90 животных показало, что экспрессирующие трансген nmrHas2 мыши умирают от спонтанного рака реже, чем обычные (57 против 70 процентов). Эта разница была еще заметнее у пожилых (старше 27 месяцев) животных — 49 против 83 процентов. В эксперименте по химической индукции кожного канцерогенеза нанесением 7,12-диметилбензантраценом (DMBA) и форбол-12-миристат-13-ацетатом (TPA) число папиллом на 21-й неделе от него у трансгенных мышей было почти вдвое меньше, чем у обычных. От пола животных подверженность раку не зависела. Масса тела животных из обеих групп в течение жизни не различалась. При этом экспрессирующие nmrHas2 мыши жили дольше, чем обычные — медианная продолжительность жизни у них была на 4,4 процента, а максимальная — на 12,2 процента больше. У животных женского пола сильнее различалась медианная продолжительность жизни (на девять процентов), а мужского — максимальная (на 16 процентов). Оценка эпигенетического возраста по паттернам метилирования ДНК в печени в возрасте 24 месяцев показала, что у трансгенных мышей он примерно на 0,2 года меньше хронологического. Животные из основной группы жили не только дольше жили, но и дольше оставались здоровыми. У них медленнее, чем в контрольной группе, возрастал интегральный индекс немощности (frailty index), который рассчитывается по 31 физиологическому показателю, и они в пожилом возрасте сохраняли подвижность и координацию движений в тесте на ротароде. Кроме того, у трансгенных самок замедлялось развитие остеопороза. Анализ транскриптомов различных органов и тканей экспрессирующих nmrHas2 пожилых мышей выявил особенности, присущие молодым животным, и пониженный уровень воспаления, связанного с возрастом. Молекулярные исследования показали, что высокомолекулярная гиалуроновая кислота производит противовоспалительные и иммунорегулирующие эффекты, а также предохраняет клетки от окислительного стресса. Кроме того, она стимулирует барьерную функцию кишечного эпителия, сохраняет стволовые клетки кишечника и поддерживает оптимальный состав кишечной микробиоты, что дополнительно способствует снижению возрастного воспаления. Таким образом, высокомолекулярная гиалуроновая кислота, произведенная трансгеном nmrHas2, продлила жизнь мышей и сохранила их здоровье в пожилом возрасте, подавляя возрастные воспалительные реакции. Это значит, что эволюционные адаптации долгоживущих животных, таких как голый землекоп, можно искусственно воспроизвести у других видов — возможно, и у человека — с пользой для их здоровья. Также полученные результаты указывают на потенциал клинического применения высокомолекулярной гиалуроновой кислоты для лечения возрастных воспалительных заболеваний кишечника и других органов, заключают авторы работы. В 2016 году исследователи из Великобритании, Германии и ЮАР выяснили, что низкая болевая чувствительность голых землекопов связана с мутацией гена одного из рецепторов воспринимающих боль нейронов. Годом позже американские, немецкие, британские и южноафриканские ученые показали, что эти животные могут долго обходиться без кислорода — в эксперименте они выжили 18 минут в атмосфере чистого азота, после чего восстановили аэробный метаболизм.