Черви вычисляют производную ради поиска пищи

Круглые черви не столь уж примитивны. Учёные обнаружили у них "специализированный мини-компьютер", который помогает искать пищу и избегать ядов. В схеме этого "устройства" разобрался Шон Локери (Shawn Lockery) и его коллеги из университета Орегона (University of Oregon).

Примитивные черви (биологи в данном случае изучали Caenorhabditis elegans) способны неплохо находить пищу "методом тыка". Но их хаотичные движения не так уж беспорядочны.

Крошечные существа, как показали тесты, меняют своё поведение в зависимости даже не от содержания в окрестности привлекательных для них веществ, а от производной их концентрации по времени. Как черви "вычисляют производную", – до недавних пор оставалось неясным.

Нужно пояснить, что для Caenorhabditis elegans одним из индикаторов близости еды служит обычная поваренная соль (NaCl). С ней и работали экспериментаторы в первой серии новых опытов.

Учёные выяснили, что за восприятие этого соединения у червей отвечают специальные нейроны. Причём они реагируют на антагонистичные сигналы и соответственно называются ASE (antagonistic sensory cues).

Этих сенсорных нейронов два — левый (ASEL) и правый (ASER). Их можно было бы принять за аналог правой и левой ноздри, или правого и левого глаза у более крупных существ. Но это не так. Нейроны расположены слишком близко, чтобы давать "стереокартинку". Однако это не мешает червю успешно находить цель.

Секрет, как оказалось, заключается в том, что ASEL и ASER обладают функциональной асимметрией, то есть работают по-разному (в них отличается экспрессия генов), хотя анатомически они идентичны и симметрично расположены.

Оба, как выяснили биологи, реагируют не на присутствие искомого вещества (соли) само по себе, а на изменение в его концентрации. Причём ASEL активируется при росте содержания NaCl и является аналогом "включателя" в "электронной схеме", а ASER активируется в момент падения концентрации соли и выступает в роли "выключателя".

Вместе они образуют нечто вроде триггера, который и "вычисляет производную" концентрации соли по времени, меняя поведение червя.

Чтобы выявить этот механизм, американцы слегка модифицировали нематод, добавив в их сенсоры флуоресцентные белки, начинающие светиться при активации нейрона.

Так учёные увидели чёткое соответствие: повышение концентрации соли и, соответственно, включение ASEL заставляет нематоду двигаться вперёд (к пище), активация же ASER (при падении содержания соли на пути существа) приводит к повороту червя, к преобладанию ищущих движений вместо поступательных.

Пара нейронов, попеременно переключаясь таким образом, вычисляет темп изменения вкуса, что и позволяет червю эффективно искать еду, ориентируясь на "улучшение ситуации".

Чтобы удостовериться, действительно ли пара ASE управляет поведением червя, авторы работы поставили второй опыт. На этот раз учёные оснастили ASE-нейроны белками-рецепторами капсаицина — активного компонента перца.

Если червь двигался вправо-влево и кругами, учёные распыляли капсаицин на левый нейрон и нематода начинала ползти прямо. Стоило же добавить "перца" на правый рецептор, черви снова начинали поиск (подробности — в статье в Nature).

Исследователи уверены, что сходный "микрокомпьютер" должен существовать и у более сложных существ — у животных, которые ищут пищу по запаху. Авторы опытов шутят, что механизм, по принципу действия аналогичный паре ASEL/ASER, движет голодных студентов в сторону пиццы.

Впрочем, в каждой шутке — лишь доля шутки. "Есть все основания полагать, что у людей существует такой же "вычислительный центр", воспринимающий сигналы хеморецепторов", — говорит Шон. Учёные полагают, что, разобравшись с работой таких парных переключателей в нематоде, смогут лучше понять и нарушения в восприятии тех же запахов или вкуса у людей, а значит — попробовать найти новое лекарство от таких расстройств.

Почитайте о работе крысиных усиков и обоняния в режиме стерео, а также — познакомьтесь с талантливым звёздным рылом.