В мире насчитывается более 2000 видов плодовых мушек. Некоторые предпочитают более теплый климат, тогда как другие обитают в северных широтах. «Мы хотели выяснить, отличаются ли циркадные часы северных видов от таковых их южных родственников», - объясняет профессор Шарлотта Хельфрих-Фёрстер из Биоцентра Вюрцбургского университета. «Для этой цели мы сравнили два вида плодовых мух из Финляндии с одним из Танзании».
Долгая сиеста на экваторе
В лаборатории ученые варьировали продолжительность световых и темных циклов, которым подвергались насекомые. В их первом эксперименте за двенадцатью часами дня следовали двенадцать часов ночи. Этот ритм характерен для экватора, где день и ночь примерно одинаково длинны в течение всего года. Африканские мухи проявляли в этих условиях характерный характер активности: их активные фазы ограничивались сумерками и рассветом; тем временем они отдыхали. В природе такое поведение очень выгодно, так как позволяет насекомым лучше справляться с дневной жарой.
Будучи немного более расслабленными по утрам, финские двукрылые, напротив, имели пик активности в начале дня и оставались активными до наступления темноты, в основном без сиесты. С биологической точки зрения такое поведение имеет смысл, ведь даже в разгар лета северное скандинавское солнце редко бывает достаточно сильным, чтобы навредить животным.
На следующем этапе ученые продлили лабораторный день: они оставили свет включенным на 20 часов, а затем снова выключили его на четыре часа. В ответ на это танзанийские мухи не продлили свой период отдыха, а начали суетиться задолго до наступления сумерек. Их активность достигла своего пика в то время дня, когда обычно еще было очень жарко. Если бы в Танзании был 20-часовой рабочий день, такое поведение, вероятно, было бы очень рискованным.
Крошечные различия в мозгу мух
Таким образом, циркадные часы южных мух, похоже, настроены на более или менее постоянную продолжительность дня. Интервал между утренней и вечерней активностью всегда имеет примерно одинаковую продолжительность. Финские особи, напротив, адаптировали свою модель активности к более длинному дню: они использовали продолжительный световой период для более интенсивного кормодобывания, которое прекращалось только с наступлением темноты. «Таким образом, циркадные часы двух видов, по-видимому, очень по-разному реагируют на измененные ритмы дня и ночи, - отмечает Шарлотта Хельфрих-Фёрстер. - Мы задались вопросом, почему это так».
На первый взгляд, циркадные часы всех трех видов кажутся устроенными одинаково: и финские плодовые мушки, и их танзанийские собратья имеют одни и те же часовые нейроны - это нервные клетки в мозге, составляющие циркадная система. Поэтому вюрцбургские ученые внимательно изучили мозг мух. «Нам удалось показать, что финские виды не производят фоторецепторы синего света в определенных нейронах, в отличие от их африканских родственников», - говорит Хельфрих-Фёрстер. «Это означает, что пораженные нервные клетки не имеют датчика дня и ночи». В других нейронах отсутствует молекула PDF, которая обычно передает входящие сигналы света и темноты в другие центры мозга.
Сброс летучих часов
Но действительно ли эти различия ответственны за измененный характер активности скандинавских насекомых? Чтобы ответить на этот вопрос, вюрцбургские ученые «сбросили» циркадные часы африканской дрозофилы. С помощью генетической модификации они также отключили производство фоторецептора синего света в тех нейронах, в которых он отсутствовал у финских мух. Аналогичным образом они поступили и с PDF. Результат манипуляции был поразительным: «Плодовые мушки из Танзании теперь продемонстрировали ритм активности, очень похожий на ритм активности их финских коллег», - подчеркивает профессор Хельфрих-Фёрстер.«Кроме того, их сиеста была менее выраженной».
Предок плодовой мушки, как полагают, имеет африканское происхождение. Со временем насекомые распространились и в более прохладные регионы. Ученые предполагают, что циркадные часы мух также изменились в процессе, позволив насекомым адаптироваться к колебаниям длины дня и более низкой интенсивности солнца.