Любителям всего животного мира поиск подходящего партнера требует правильной химии. Теперь ученые из Университета Рокфеллера смогли наметить неожиданный путь, по которому эволюция устроила животных так, чтобы они выбирали правильного партнера.
Работая с плодовыми мухами, ученые исследовали, как самцам удается выделить особей своего вида из множества мух, толпящихся вокруг перезревшего плода. Ответ, опубликованный на этой неделе в журнале Nature, перевернул давние представления о том, как работает эволюция, чтобы животные сохраняли свой вид.
Глядя далеко и глубоко
Ученые давно предполагали, что животные не скрещиваются, потому что эволюция изменила периферические части их нервной системы, в том числе органы чувств, которые обнаруживают и обрабатывают феромоны - химические вещества, помогающие идентифицировать других представителей того же вида. Было высказано предположение, что периферические изменения необходимы для того, чтобы позволить животным развивать видоспецифичное поведение, включая спаривание, но было невозможно определить, было ли это основным или единственным местом изменений в нервной системе..
Ванесса Рута, возглавляющая Лабораторию нейрофизиологии и поведения, отправилась с командой из своей лаборатории, чтобы выяснить, что сделала эволюция для обеспечения того, чтобы два близкородственных вида плодовых мушек - Drosophila melanogaster и Drosophila simulans - держались друг за друга. себе подобных при спаривании. Используя множество самых современных генетических и визуализирующих инструментов, а также изобретя несколько новых, ученые отследили электрохимические импульсы, начиная с сенсорных нейронов передней ноги самца, которые они используют, чтобы «попробовать» феромоны на всем протяжении пути. к центральному процессорному центру мозга.
Различия между видами, как они обнаружили, лежат глубоко в мозгу мух, в небольшом скоплении нейронов, которые контролируют брачное поведение. На самом деле, периферическая нервная система не изменилась, что позволяет предположить, что она не играет никакой роли в выборе брачного партнера у различных видов, чего Рута не ожидала.
«Я думаю, ученые в этой области уже давно считают, что изменения, скорее всего, будут локализованы на периферии частично из-за того, что это самое простое место для поиска», - говорит она. «У людей не было доступных генетических инструментов для реального отслеживания сенсорных сигналов, когда они распространяются по схемам мозга».
Развилка на дороге
D. самки melanogaster производят особый феромон, который действует как мощный афродизиак и побуждает самцов к спариванию. Любопытно, что самцы D. simulans сильно реагируют на один и тот же феромон, но для них это мощное препятствие, мешающее ухаживать за самками не того вида.
Большой вопрос для команды Руты заключался в том, где в нервной системе произошли эволюционные изменения, объясняющие противоположные реакции мух на один и тот же феромон.
В поисках ответа Лаура Зеехолцер, аспирант лаборатории Руты, использовала редактирование генов Crispr-Cas9, чтобы определить, что самцы двух видов обнаруживают феромоны одинаковым образом. Она обнаружила, что нейронные пути также идентичны, поскольку они движутся к мозгу. У обоих видов этот путь разделяется на два канала: один путь образует так называемый возбуждающий интернейрон, который способствует спариванию, а другой - тормозной интернейрон, подавляющий побуждение.
Первый признак функциональных различий между видами мух появился, когда ученые проверили, что происходит в кластере нейронов, известном как P1, который контролирует поведение ухаживания. В одном эксперименте самцам обоих видов разрешалось прикасаться к самке D. melanogaster, пробуя ее феромоны.
Самцы D. melanogaster были соответствующим образом возбуждены, при этом их нейроны P1 загорались с помощью функциональной визуализации мозговой активности. Но для самцов D. simulans свет был выключен.
Далее, команда стремилась искусственно возбудить или подавить половое влечение у самцов, непосредственно стимулируя узел P1. Это был сложнейший эксперимент: в то время как генетические инструменты легко доступны для манипулирования нейронами у D. melanogaster, одного из наиболее широко изучаемых видов животных, на D. simulans было проведено мало исследований, что вынудило Зеехольцера и его коллег разработать новые методы для генетически пометить нейроны этого вида, чтобы они могли изучить их роль в выборе спаривания.
Результат: как возбуждающие, так и тормозные пути присутствуют у обоих видов мух. Но именно баланс их поступления в нейроны P1 отвечает за противоположные реакции мух на один и тот же феромон, как показало исследование. У самцов D. simulans вкус феромонов другого вида вызывает доминирование тормозного пути, маскируя любой импульс к спариванию.
«Наблюдение за различными ответами нейронов P1 у разных видов было моментом, когда мы подумали, что мы определили место, где произошли эволюционные изменения», чтобы предотвратить скрещивание двух видов, - говорит Рута.
Она надеется расширить исследование, чтобы сравнить дополнительные виды мух, чтобы выявить дополнительные способы, которыми эволюция может управлять поведением. До недавнего времени такие исследования отнимали невероятно много времени. Но с новыми генетическими инструментами, включая Crispr-Cas9, теперь можно сравнивать нейронные цепи между видами, говорит она.