У другій частина нашого огляду біологічних підсумків ми згадуємо, що ми дізналися в році, що минає про мозок і пам'ять, про мутації, які накопичуються у нас все життя, про ембріони, яких зуміли розібрати по клітинам і генам, і про еволюцію з її динозаврами і неандертальцями .
Двадцятивосьмилітній Девід, паралізований з 2010 року, після п'ятимісячних тренувань зі спинномозковим стимулятором зміг встати зі свого крісла. (Фото: Hillary Sanctuary / EPFL)
Молодий нейрон (забарвлений зеленим) в зразку гіпокампу, взятому у тринадцятирічного підлітка. (Фото: Shawn Sorrells / University of California, San Francisco)
Шипшиновий нейрон з мозку людини. (Ілюстрація: Eszter Boldog et al., Nature Neuroscience 10.1038 (2018))
Астроцити - одні з службових клітин мозку. Коли астроцити старіють і починають себе погано вести, вони підвищують ризик хвороби Альцгеймера. (Фото: Patrick Hollos / Flickr.com ) Однією з причин мутацій в нашій ДНК може бути банальний алкоголь. (Фото: ronstik / Depositphotos )
Зародок риби Danio rerio. (Фото: Annie Cavanagh / Wellcome Collection)
Нікотин діє на ДНК через кілька поколінь - по крайней мере, у мишей. (Фото: julazska / Depositphotos )
Слід Дікінсон - одного з найдавніших тварин на Землі. (Фото: Ilya Bobrovskiy / Australian National University)
Динозаври навряд і могли піднімати мову від дна рота. (Фото: Pixelchaos / Depositphotos )
Маленькі і великі динозаври по-різному влаштовували свої гнізда. (Ілюстрація: Masato Hattori; Biology Letters 2018)
Результати томографічного сканування черепа неандертальця (зліва) і черепа сучасної людини. (Ілюстрація: Philipp Gunz / Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology)
Серед тварин, яких людині вдалося одомашнити, виявився, мабуть, і він сам. (Фото: Focusarg / Depositphotos )
<
>
про мозок
У першій частині підсумків року ми зупинилися перед мозком. Але почнемо ми зараз не з головного мозку, а з спинного. Біологи і медики давно намагаються знайти спосіб відновлювати рухливість після травм спинного мозку, і в 2018 році в цій області трапився вельми помітний успіх, який сміливо можна назвати одним з видатних наукових подій.
Двадцятивосьмилітній Девід, паралізований з 2010 року, після п'ятимісячних тренувань зі спинномозковим стимулятором зміг встати зі свого крісла. (Фото: Hillary Sanctuary / EPFL)
Дослідники з Федеральної політехнічної школи Лозанни зуміли за допомогою стимуляції спинного мозку електричними імпульсами повернути рухливість людям з травмами хребта. Ми неодноразово описували цей метод; в його розробці брали участь і російські дослідники . В експерименті брали участь троє добровольців, які останні кілька років провели в інвалідному візку через хребетної травми. Через п'ять місяців тренувань зі стимулятором спинного мозку всі троє вже ходили на власних ногах. Правда, їх всіх треба було частково підтримувати, проте прогрес все ж був приголомшливий. Більш того, двоє навіть могли встати з крісла і зробити кілька кроків взагалі без додаткової стимуляції.
Крім того, є прогрес і в інших методах лікування спинномозкових травм. Так, навесні в Nature Medicine вийшла стаття про мавп з травмою спинного мозку, яким вдалося до певної міри повернути рухливість мавпам за допомогою стовбурових клітин .
Зі стовбуровими клітинами-попередниками нейронів - і тут ми вже переходимо до головного мозку - пов'язана одна складна історія під назвою «дорослий нейрогенез». Здавалося б, давно відомо, що нові нервові клітини в мозку з'являються не тільки під час внутрішньоутробного розвитку, а й сильно пізніше, після того, як індивідуум народився і подорослішав. Це і називається дорослий нейрогенез, і знайшли спочатку у тварин - в мозку ссавців вдалося знайти цілих дві зони, де з'являються новий нейрони, центр пам'яті гіпокамп і ще одну ділянку, звідки молоді нейрони перебираються в нюхову цибулину (оскільки для звірів нюх вкрай важливо, то зрозуміло, чому у них виник механізм поновлення нейронів нюхової системи).
Молодий нейрон (забарвлений зеленим) в зразку гіпокампу, взятому у тринадцятирічного підлітка. (Фото: Shawn Sorrells / University of California, San Francisco)
Згодом з'явилися дані, що дорослі нейрогенез є і у людини, але тільки в гіпокампі. Однак результати, що стосуються нейрогенезу у дорослих людей, залишалися деякій мірі неоднозначними і вимагали додаткових уточнень. Дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско спробували внести сюди ясність, і в результаті виявили, що дорослий нейрогенез у нас не стільки дорослий, скільки дитячий - нові нервові клітини в людському мозку перестають з'являтися після 13 років . Але буквально через місяць вийшла інша стаття, на цей раз за авторством співробітників Колумбійського університету, які знову знайшли у людини цілком дорослий нейрогенез - за їхніми даними, нові нейрони з'являються в центрі пам'яті все життя .
Проблема тут в тому, що робота з людським мозком накладає свої обмеження, і дослідники не завжди можуть точно зрозуміти, що саме вони бачать - тобто клітини якої міри зрілості, молоді, не дуже молоді, або вже цілком сформувалися. Тим часом, поки йдуть дискусії про людський дорослому Нейрогенез, у тварин його цілком успішно вивчають: для прикладу можна навести статтю в Nature про те, що новонароджені нейрони заспокоюють старі, допомагаючи мозку впоратися зі стресом .
Шипшиновий нейрон з мозку людини. (Ілюстрація: Eszter Boldog et al., Nature Neuroscience 10.1038 (2018))
Взагалі мозок часто підносить сюрпризи і змушує переглядати концепції, які встигли скластися навколо нього. Для фахівців це не більше, ніж банальність - кому, як не їм, знати, скільки в нашому мозку ще невивченою. У ньому до сих продовжують знаходити нові типи нервових клітин - зокрема, в кінці літа в Nature Neuroscience вийшла стаття з описом особливих гальмують нейронів, схожих на кущ шипшини , Які є у людини, але немає у мишей.
Інша актуальна історія - коли у ділянок мозку з здавалося б вже досить добре вивченими властивостями виявляють нові функції. Ми якось писали про те, що мигдалеподібне тіло, яке звично називають центром страху, насправді керує ще й почуттям задоволення. Виявилося, що центр пам'яті гіпокамп теж не тільки за пам'ять відповідає і не тільки за орієнтування на місцевості: дослідники з Університету Торонто знайшли в ньому тривогу і страх - керуючи страхом, гіпокамп допомагає зрозуміти, як вести себе в конфліктній ситуації.
Інший приклад, як щось з нервової системи виявляє не ті властивості, до яких ми звикли - це нейромедіатор дофамін, про який всі знають, що він обслуговує центри задоволення. Але крім них його використовують нейронні ланцюги, які обробляють дратівливі, неприємні стимули . Втім, про «дофамінових огиду» нейробіологи здогадувалися давно, і зараз вдалося продемонструвати його в явному вигляді. Та й дивно було б думати, що у нейромедиаторного речовини може бути якась одна вузька спеціалізація (той же дофамін ще й в рухових центрах сигнали передає).
Одне з найбільших і неминущі напрямків в нейробіології - це дослідження пам'яті. У 2018 року ми дізналися, що пам'ять псується від грипу , Що її можна перенести від одного індивідуума до іншого у вигляді молекул РНК (Правда, експерименти з РНК пам'яті виконували на молюсках, і до отриманих результатів у багатьох фахівців є ряд питань), що центри пам'яті працюють з запам'ятовується інформацією подібно до того, як режисер монтує фільм , І що для того, щоб щось згадати, потрібно щось забути . Ті, хто стежать за «новинами з мозку», знають, що в ньому відбувається такий загадковий процес, як перетворення короткочасної пам'яті в довготривалу - і про це ми дізналися в році, що минає теж трохи більше . Нарешті, співробітники лабораторії Судзумія Тонегави, вже який рік займаються молекулярно-клітинними механізмами пам'яті, показали нам, як спогади зв'язуються один з одним .
Особливим інтересом завжди користуються дослідження, з яких можна зрозуміти, як поліпшити роботу мозку. Тут ми дізналися, що мозку допомагають працювати протизапальні білки і яскраве світло , що від ультрафіолету мозок розумнішає , А ось від депресії і самотності йому тільки гірше - через соціальної ізоляції нейрони мозку зменшуються в об'ємі , А через депресію він взагалі швидше старіє . І до речі, якщо хтось намагається щось вчити уві сні, тобто спати з навушниками і який-небудь лекцією в смартфоні, то марно: як показали дослідники з Брюссельського вільного університету, сплячий мозок, хоча чує звуки ззовні, але не бачить зв'язку між ними .
Астроцити - одні з службових клітин мозку.Коли астроцити старіють і починають себе погано вести, вони підвищують ризик хвороби Альцгеймера.(Фото: Patrick Hollos / Flickr.com )
Нарешті, останнє, що ми згадаємо в зв'язку з мозком - це нейродегенеративні захворювання, з яких на слуху переважно хвороба Паркінсона і хвороба Альцгеймера. Фахівці давно помітили, що хвороба Паркінсона супроводжують серйозні проблеми з кишечником, причому ці проблеми деколи виникають задовго до прояву основних симптомів. І ми вже якось писали про те, що токсичні білки, які накопичуються в мозку при хворобі Паркінсона, можуть підніматися з кишечника по блукаючому нерву прямо в мозок. Але кишечник великий - звідки саме ці білки піднімаються? Дослідники Інституту Ван Андел і Лундського університету вважають, що з апендикса .
У свою чергу, хвороба Альцгеймера, мабуть, може починатися з-за вірусу герпесу , Який оселився в мозку - нейрони, зіткнувшись з вірусом, синтезують багато білка, який утворює патогенні відкладення в нервовій тканині. Додають альцгеймеріческіх ризиків постарілі службові клітини мікро- і макрогліі, завдання яких, взагалі-то, стежити, щоб нейронам було добре. Крім того, хвороба Альцгеймера посилюється від запалення , Навіть якщо це запалення виникло не в мозку. І, звичайно, свою роль відіграють мутації: дослідники з Медичного інституту Бернем-Сенфорд-Пребіса знайшли для альцгеймеріческіх мутацій новий механізм , Який описали в своїй статті в Nature.
Про гени, клітини і епігенетика
Про мутації ми в наших підсумки ми згадуємо часто. Мутації потрапляють в ДНК, в якій закодовані наші гени, і через мутантних генів клітини починають вести себе інакше. У дорослої людини клітина з мутацією може стати злоякісної; якщо ж мутація трапилася під час ембріонального розвитку, то і людини може взагалі ніякого не вийти. З іншого боку, мутації - паливо еволюції; з маси мутацій після природного відбору залишаються ті, які підвищують виживаність індивідуума і всього виду. Зрозуміло, чому всі в біології, хто б що не займався, уважно стежать за тим, які ще загальні закономірності вдалося виявити на молекулярно-клітинному рівні життя.
Однією з причин мутацій в нашій ДНК може бути банальний алкоголь. (Фото: ronstik / Depositphotos )
Мутацій у людей накопичується з віком дійсно багато, близько двох тисяч на клітину . З'являються вони як через внутрішні помилок, які здійснюють копіюють ДНК білки, так і з-за зовнішніх факторів, причому зовнішнім фактором може бути не тільки який-небудь ультрафіолет, але і банальний алкоголь . Але не всі мутації, навіть небезпечні, приводять до чогось поганого - в наш геном вбудовані різні компенсуючі системи. Одну з них описали в статті в Cell дослідники з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі, які показали, що для дуже важливих генів в геномі припасено по кілька регуляторів - на випадок непередбачених ситуацій.
Гени існують не самі по собі, вони відчувають умови, в яких опинилася клітина, і змінюють активність так, щоб пристосуватися до цих умов. Один із прикладів - стовбурові клітини можна омолодити голодом : Він змушує їх переключитися з розщеплення вуглеводів на розщеплення жирів, тим самим покращуючи їх регенеративні здібності. А дорослі спеціалізовані клітини можна перетворити в ембріональні стовбурові, змусивши їх ділитися в обмеженому прямокутному просторі : Фізичні обмеження змушують клітини переключити генетичні програми.
Ембріональні стовбурові клітини відрізняються від всіх інших стовбурових клітин тим, що можуть перетворитися абсолютно в будь-який інший тип клітин - в клітини крові, клітини шкіри, м'язів і т. Д. Їх досліджують якнайпильнішим чином, тому що, по-перше, з ними пов'язані великі медичні надії - адже легко уявити собі вирощені з них на замовлення органи і тканини. По-друге, через стовбурові клітини можна підібратися до таємниць ембріонального розвитку.
Що стосується ембріології, то тут в році, що минає були опубліковані кілька статей, які в сукупності склали одне з головних наукових подій. (Тут слід розуміти, що, кажучи «ембріологія», ми маємо на увазі великий комплекс дисциплін, які об'єдналися для вирішення певних завдань.) Розвиток зародка залежить від того, як поводяться окремі клітини, і якщо ми хочемо побачити клітинний концерт у всій цілісності , ми повинні визначити активність генів в кожній окремій клітці на кожній стадії розвитку ембріона. Для цього потрібно розібрати ембріон по клітинам так, щоб їх не пошкодити; кожну клітину потрібно забезпечити міткою, щоб знати, яке місце вона займала в цілому зародку; нарешті, потрібно вміти прочитати РНК, синтезовану в одній клітці - саме по РНК, які представляють собою копії з тих чи інших ділянок ДНК, можна судити за активністю тих чи інших генів.
Зародок риби Danio rerio. (Фото: Annie Cavanagh / Wellcome Collection)
Методи, які дозволяють все це робити, придумали порівняно давно, але лише зараз вони досягли того рівня досконалості, коли ми можемо вивчити ембріон цілком. Три статті в журналі Science на прикладі ембріонів риби Danio rerio (смугастий даніо) і шпорцевой жаби докладно описують, які гени, де саме і коли саме працюють в клітинах ембріонів. Дослідникам довелося проаналізувати в одному випадку близько 92 000 клітин, в іншому - близько 137 000; природно, тут знадобилися особливі, дуже витончені методи комп'ютерної обробки. У підсумку в ембріональному розвитку і справді виявилися деякі важливі сюрпризи , Які, очевидно, мають відношення не тільки до риб і жабам, а й до інших хребетним.
Розвиток наукових методів мало-помалу розвіює містику, навколишнє ембріональний розвиток і дозволяє виявити в ньому загальні закономірності: так, дослідникам з Рокфеллерівського університету вдалося знайти в людському зародку фундаментальну структуру під назвою зародковий організатор . Він керує розвитком всього зародка, але до сих пір зародковий організатор бачили тільки у тварин. Дослідники з Кембриджа і Женевського університету зуміли в буквальному сенсі зліпити ембріон миші зі стовбурових клітин: направляючи його розвиток за допомогою молекулярних сигналів, вони домоглися, щоб у зародка з'явилися перед, зад, верх, низ, права і ліва сторони . Хто знає, дивись, в майбутньому нас і справді чекають люди з пробірки, вирощені зі стовбурної клітинної маси.
Вище ми сказали, що гени знають, як змінюються умови навколо клітини (і всередині неї), і змінюють свою активність відповідно до обставин. І в такому зміненому стані вони можуть залишатися дуже довго, нерідко - все життя. Більш того, така інструкція - про зміненому стані деяких генів - може переходити в наступні покоління. Подібні зміни в активності генів називаються епігенетичної регуляцією, а передача змін у спадок - епігенетичні спадкуванням, яка не зачіпає сам генетичний код, але відбувається поверх нього. У епігенетичної регуляції є кілька молекулярних механізмів. Спочатку її виявили у рослин, потім у тварин, а зараз вже є маса прикладів того, як епігенетичні механізми працюють у людей. Наприклад, відомо, що у тих, кому доводилося сильно голодувати, діти і внуки будуть більш схильні до діабету і ожиріння; схожі дані є і про психологічний стрес.
Нікотин діє на ДНК через кілька поколінь - по крайней мере, у мишей. (Фото: julazska / Depositphotos )
Ми писали про ті, что Нікотин впліває на ДНК через поколение и что пізніше батьківство шкодить потомству - и ті, и інше, як вважається, походити самє с помощью епігенетічної регуляції генетичної актівності. Досліднікі з Інституту Солка показали, что недолік матерінської Турбота позначається на стабільності генома дітінчат - и тут теж, очевидно, не обходиться без епігенетікі. Однак в епігенетічної темі є одна проблема - если епігенетічна регуляція в межах життя одного індівідуума, загаль, зрозуміла, то вісь Механізми епігенетічного Успадкування досі Ясні НЕ Цілком. Досліднікі продолжают шукати молекулярні Механізми, Які пояснили б, як способ життя батьків может впліваті на їх потомство в декількох поколіннях. Ми розповідали про двох недавніх роботах на цю тему: автори першої сумніваються в одному з механізмів такого наслідування, автори другої пропонують для цього інший механізм .
Про динозаврів і еволюцію
Гени мутують, успадковуються, змінюють активність, і в результаті найдавніші одноклітинні живі істоти стають багатоклітинними, вчаться плавати в морі, потім - ходити по суші і дихати повітрям, на Землі з'являються і зникають динозаври, з'являються - і поки не зникають - люди. Загалом, зараз мова піде про те, що примітного, на наш погляд, ми дізналися про еволюцію в найширшому сенсі, від походження життя до появи сучасних людей.
Відомо, що біомолекули - білки, ліпіди і нуклеїнові кислоти - дуже великі і складні, проте вони виходять з досить простих молекулярних «цеглинок». Самі ж ці «цеглинки» можна зробити з зовсім простого хімічної сировини. Наприклад, «цеглини» для рибонуклеїнових кислот цілком можна отримати з ціаністого водню (HCN) і сірководню (H2S). І ціаністого водню, і сірководню було досить на Землі мільярди років тому, і умови для потрібних хімічних реакцій цілком підходили. Дослідники з Массачусетського технологічного інституту дещо підправили рецепт зародження життя на Землі - на їхню думку, замість сірководню в цьому рецепті повинен бути діоксид сірки (SO2), якого в ті часи теж було більш ніж достатньо.
Слід Дікінсон - одного з найдавніших тварин на Землі. (Фото: Ilya Bobrovskiy / Australian National University)
Але коли саме зародилася життя? Автори статті в Earth and Planetary Science Letters вважають, що близько 4,4 млрд років тому, коли на новонародженої Землі ослабли метеоритні бомбардування . А ось вже 3,2 млрд років тому життя, ймовірно, почала освоювати сушу - це були перші сухопутні мікроби. (Окремо варто згадати статтю в Science, написану в співавторстві з російськими дослідниками і присвячену одному з найдавніших викопних істот, Дікінсон - вона виявилася не колонією бактерій, які не грибом, а тваринам .) Ще через багато, багато сотень мільйонів років в океанах на мілководді з'явилися хребетні, частина яких вирушила освоювати океанські простори, а частина почала пересуватися ближче до суші. І ось близько 400 млн років тому на сушу зважилися вийти найсміливіші риби - сталося це, ймовірно, там, де морський приплив залишав тимчасові водойми .
Динозаври навряд і могли піднімати мову від дна рота. (Фото: Pixelchaos / Depositphotos )
Наступна наша зупинка - динозаври і що приєдналися до них птиці (ми зовсім не жартуємо - птиці, на відміну від всіх інших сучасних тварин, дійсно прямі нащадки динозаврів). У році, що минає ми дізналися, що динозаври не могли показувати мову , Що вони несли кольорові яйця , Які вони по-особливому розміщували в гнізді, щоб ненароком не роздавити . Над бродять по землі динозаврами літали птерозаври, у яких, мабуть, росли пір'я , Хоча раніше вважалося, що пір'я у них не було. Потім і птерозаврам, і динозаврам, і морським ящера, і ще багато кому довелося вимерти, і їх місце зайняли пересидів їх звірі й птахи. Нинішні птиці, до речі, походять від дуже невеликої кількості видів, що вціліли після останнього великого вимирання; за способом життя ці вижили птиці були схожі на нинішніх Куропата до .
Маленькі і великі динозаври по-різному влаштовували свої гнізда. (Ілюстрація: Masato Hattori; Biology Letters 2018)
Ну і, нарешті, люди. В еволюції людини було багато хвилюючих моментів, і один з них - збільшення мозку. Чому він збільшився, які саме чинники були причиною цього? Очевидно, таких факторів було кілька і один з найважливіших - це, як вважають дослідники з Університету Сент-Ендрюс, життєві проблеми: серед стародавніх людей перевага була у тих, хто найкраще долав труднощі навколишнього світу (хоча тут все не так очевидно, як здається на перший погляд). Якщо ж говорити про конкретні молекулярно-генетичні механізми, то тут свою роль могли зіграти три гена , Які спонукають стовбурові клітини в мозку, який розвивається довше ділитися, тим самим збільшуючи число майбутніх нейронів.
Але крім мозку, у древніх людей і їхніх предків змінювалися і інші частини тіла. Навесні в журналі PNAS з'явилася стаття, в якій говорилося, що завдяки змінам в анатомії людиноподібні предки сучасних людей досить швидко навчилися прямоходіння . А автори іншої статті, в Proceedings of the Royal Society B, пишуть, що наші м'язи стали більш витривалими завдяки генетичному дефекту , Що трапилося 2-3 мільйони років тому - в результаті наші предки могли довго переслідувати здобич.
Результати томографічного сканування черепа неандертальця (зліва) і черепа сучасної людини. (Ілюстрація: Philipp Gunz / Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology)
Ще одна хвилююча тема - взаємовідносини різних видів людей між собою. Ми до сих пір розбираємося з неандертальських генетичним спадком, яке залишилося у нас завдяки схрещуванню між людиною розумною і людиною неандертальським. Homo sapiens, прийшовши до Європи з Африки, ймовірно, захищався від незнайомих інфекцій за допомогою неандертальських генів - неандертальці жили тут давно і встигли пристосуватися до місцевих хвороб. А багато сучасних людей до сих пір доношують неандертальські черепа - в тому сенсі, що на форму їх черепа впливають залишки неандертальської ДНК, затрималася в нашому геномі. Якщо врахувати, що людина розумна схрещуються не тільки з неандертальцями, але й з Денисовском людиною , Картина нашого доісторичного генетичного спадщини на ділі ще складніша.
Серед тварин, яких людині вдалося одомашнити, виявився, мабуть, і він сам. (Фото: Focusarg / Depositphotos )
Не варто думати, що антропологи і генетики займаються тільки справами давно минулих днів. Наприклад, відомо, що Y-хромосома у сучасних чоловіків не відрізняється різноманітністю варіантів. І, як показали дослідники зі Стенфорда, причина тому - міжкланові війни в пізньому неоліті . Чоловіків тоді стало дуже мало, і спрацював відомий еволюційний ефект «пляшкового горлечка». Загальні закономірності еволюції допомагають пояснювати і інші наші особливості. Так, високу соціальність людини як виду можна частково пояснити тим, що ми самі себе одомашнили . А то що жінки старіють гірше за чоловіків , Може бути еволюційним наслідком менопаузи. Природний відбір підтримує ті гени, які зберігають здоров'я літнім чоловікам, навіть якщо ці гени шкодять жінкам - жінки похилого віку, які після настання менопаузи вже не можуть народжувати, стають марні для популяції.
І Останнє. Напевно багато хто помітив, що в наших біологічних підсумки року немає Нобелівської премії з хімії - хоча вона і по хімії, дали її за цілком біологічні досягнення. Але також напевно багато хто пам'ятає, що в обох наших матеріалах, присвячених Нобелівської премії з хімії, і в статті на сайті , І в статті в грудневому номері журналу , Є слово «еволюція». І тому ми згадуємо про премію саме зараз.
Нобелівські революційні методи в створенні нових білків спираються на еволюційний підхід: ми створюємо популяцію різних молекул і потім відбираємо з них ті, що найкраще годяться для наших цілей - подібно до того, як ми відбираємо корів, що дають найбільше молока, або курей, що несуть найбільше яєць. Як бачимо, теорія еволюції не просто допомагає абстрактно осмислювати світ навколо, не просто допомагає осягати таємниці стародавнього життя і занурюватися у взаємини між доісторичними людьми, але і приносить безпосередні практичні плоди.
Але кишечник великий - звідки саме ці білки піднімаються?Чому він збільшився, які саме чинники були причиною цього?
