» » Цветовые предпочтения дрозофил зависят от времени суток

Цветовые предпочтения дрозофил зависят от времени суток


Цветовые предпочтения дрозофил зависят от времени суток

Рис. 1. Дизайн эксперимента и основной результат. Мухи сидят поодиночке в пробирках, обклеенных полосками зеленой, красной и синей пленки (цветовыми фильтрами). Порядок цветных полосок рандомизирован. В каждой пробирке внизу находится корм, другой конец заткнут ватной пробкой. Поддерживается постоянная температура, влажность и суточный цикл освещенности: 12 часов яркого света сменяются 12 часами темноты. Съемка ведется в инфракрасных лучах, невидимых для мух (поэтому на нижних фотографиях пробирки выглядят черно-белыми). На графике показана доля мух, находящихся в зеленых, синих и красных зонах пробирок в разное время суток (ZT 0 — начало светового дня, ZT 12 — момент, когда свет выключается). Слева и справа от графика показано типичное распределение мух по цветовым зонам во время утреннего и вечернего пиков «любви к зеленому», внизу — во время «полуденной сиесты», когда мухи с равной вероятностью находятся в зеленых и красных зонах. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature


Биологи из Университета Майами обнаружили у дрозофил неожиданно сложные врожденные цветовые предпочтения, зависящие от времени суток. Избегание синего цвета наблюдается в течение всего дня, утром и вечером мухи предпочитают зеленое освещение красному, а в середине дня они не делают различий между зеленым и красным светом, избегая только синих зон. Опыты с мутантными и трансгенными мухами показали, что разные элементы этих предпочтений основаны на разных физиологических механизмах и задействуют разные рецепторы. Избегание синего зависит от периферических нейронов и сохраняется даже у слепых мух, предпочтение зеленого красному требует наличия нормального зрения, а в полуденном снижении любви к зеленому цвету задействованы антенны.

За сотню с лишним лет интенсивного изучения при помощи всех мыслимых и немыслимых методик у плодовой мушки Drosophila melanogaster, казалось бы, не должно уже было остаться ничего сокровенного. Однако это неисчерпаемое насекомое всё еще продолжает удивлять исследователей, причем неожиданные факты обнаруживаются не только в ходе высокотехнологичных молекулярных исследований, но и в сравнительно простых поведенческих опытах. Примеры таких открытий можно найти в новостях Самки медленнее стареют, если за них не конкурируют («Элементы», 25.01.2014) и Дрозофилы учатся друг у друга и хранят культурные традиции («Элементы», 03.12.2018).

В статье, опубликованной 19 сентября в журнале Nature, ученые из университета Майами (США) сообщили еще об одной находке такого рода. Как выяснилось, у дрозофил имеются сложные врожденные цветовые предпочтения, зависящие от времени суток и внутренних циркадных ритмов и связанные с несколькими разными физиологическими механизмами реакции на свет.

Дизайн эксперимента показан на рис. 1. Самцов дрозофил в возрасте 2–7 дней поодиночке сажали в пробирки, обклеенные пластиковыми цветовыми фильтрами трех цветов: красного, синего и зеленого. Пробирки с мухами содержались в условиях постоянной температуры и влажности, а освещение следовало неизменному суточному ритму: 12 часов яркого белого света сменялись 12 часами полной темноты. Рецепторов красного света у дрозофил вроде бы нет, поэтому красное освещение они должны воспринимать просто как тусклое. Поведение мух фиксировали при помощи камеры, которая вела съемку в инфракрасном диапазоне.


Цветовые предпочтения дрозофил зависят от времени суток

Цветовые предпочтения дрозофил зависят от времени суток

Рис. 2. Цветовые предпочтения мух в течение 6 суток тестирования. Верхняя полоса показывает «смену дня и ночи» (12-часовые периоды яркого света и темноты). По вертикальной оси — доля мух, находящихся в зеленых, красных и синих зонах. Видно, что утренние и вечерние пики предпочтения зеленого света не были четко выражены только в первые сутки. По-видимому, в это время мухи еще не успели адаптироваться к новому для них световому режиму. Правый график показывает связь между изменениями цветовых предпочтений (вверху) и двигательной активностью (внизу). Видно, что максимумы предпочтения зеленого цвета совпадают с концом утреннего и началом вечернего периода повышенной активности. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature


Выяснилось, что мухи старательно избегают синего света в течение всего светлого периода суток. Их любовь к зеленому достигает максимума в утренние и вечерние часы: примерно через 2 часа после включения света и за 1 час до его выключения. В середине дня мухи с одинаковой частотой обнаруживаются в зеленых и красных зонах. В темное время суток мухи распределяются по зонам случайным образом (рис. 2). Восьмичасовой промежуток из жизни дрозофил, в течение которого было по четыре часа «ночи» и «дня», показан на видео:


Авторы протестировали четыре разные лабораторные линии мух дикого типа, и все вели себя одинаково. Дополнительные эксперименты показали, что мушиные предпочтения определялись именно цветом (длиной волны), а не яркостью света и не разностью температур в разных зонах пробирки.

Анализ видеозаписей показал, что суточные изменения цветовых предпочтений связаны с колебаниями двигательной активности. Утром и вечером мухи активно бегают и летают по пробирке. В конце утреннего и в начале вечернего периода активности наблюдается максимальное предпочтение зеленого цвета: именно в это время мухи чаще всего обнаруживаются в зеленых зонах, избегая синих, и, в меньшей степени, красных зон. В середине дня у мух «сиеста»: их двигательная активность резко падает, и они предпочитают спокойно сидеть около корма. При этом им всё равно, в зеленой или красной зоне они находятся, лишь бы не в синей. Если в данной пробирке корм находится в синей зоне, то муха обычно пристраивается где-то на краю соседней зеленой или красной зоны, а в синюю зону лишь ненадолго забегает, чтобы поесть.

Известно, что интенсивный коротковолновый свет вреден дрозофилам (как и многим другим насекомым), но в целом вопрос о том, какой адаптивный смысл имеют (и имеют ли) выявленные предпочтения, остается открытым.

Чтобы расшифровать молекулярные основы обнаруженных предпочтений, исследователи провели эксперименты с разнообразными мутантными и трансгенными линиями дрозофил.

Для начала они сосредоточились на избегании синего света. Как ни странно, оказалось, что мутации, нарушающие развитие глаз или вовсе делающие мух слепыми, почти не влияют на нелюбовь к синему. Правда, это справедливо только для яркого освещения. При тусклом освещении слепые мухи не так активно избегают синего света, как зрячие. Очевидно, это значит, что в избегании синего задействованы не только глаза, но и некие дополнительные светочувствительные рецепторы, находящиеся в других частях тела.

Отключая один за другим гены родопсинов, чувствительных к коротковолновому свету, ученые обнаружили, что ключевую роль в избегании синего играет недавно открытый и малоизученный родопсин 7 (Rh7), чувствительный к свету от ультрафиолетового до синего. Этот белок экспрессируется не только в глазах, но и в некоторых сенсорных нейронах, не связанных со зрительной системой. Избегание синего цвета полностью пропадает, если вывести из строя ген rh7, и восстанавливается у трансгенных мух с восстановленной функцией данного гена. Дальнейшие опыты показали, что для избегания синего необходима экспрессия rh7 в периферических мультидендритных сенсорных нейронах типа IV, которые обеспечивают болевую чувствительность и задействованы в реакциях избегания разных опасных стимулов вроде перегрева. Ранее было показано, что эти нейроны отвечают за избегание синего цвета личинками дрозофил, однако у личинок, в отличие от взрослых мух, в этом задействован не Rh7, а другие белки (вкусовой рецептор Gr28b и ионный канал TrpA1). У взрослых же мух для избегания синего цвета, помимо Rh7, необходима исправная работа другого ионного канала, Painless. Про Painless ранее было известно, что он участвует в реакции на тепловые, механические и химические стимулы. В реакциях на свет Painless до сих пор не был замечен. Если немного дать волю фантазии, можно предположить, что чувство, вызываемое у дрозофил ярким синим светом, сродни боли.

В отличие от избегания синего света, в любви к зеленому зрение, как выяснилось, играет ключевую роль. Слепые мухи не замечают разницы между зеленым и красным не только в середине дня, но и по утрам и вечерам. Из двух родопсинов, чувствительных к зеленому свету (Rh1 и Rh6), для того, чтобы муха предпочитала зеленый свет красному, необходим только Rh1. Мухи, лишенные этого белка, с одинаковой частотой посещают зеленые и красные зоны в течение всего дня.

Что касается уменьшения любви к зеленому в середине дня, то для этого, как выяснилось, необходимы белки TrpA1 и Pyrexia. Выход из строя любого из них приводит к тому, что мухи предпочитают зеленый красному в течение всего дня, а не только утром и вечером. Белки TrpA1 и Pyrexia участвуют в реакциях на различные неприятные стимулы, включая перегрев, и экспрессируются, в частности, в антеннах. Оказалось, что если мухе отрезать антенны, оставив нетронутыми глаза, то такая муха будет вести себя так же, как и муха с нарушенной работой TrpA1 или Pyrexia: она будет предпочитать зеленый красному в течение всего дня.

Таким образом, для того, чтобы муха предпочитала зеленый красному, необходимы глаза и Rh1, а для того, чтобы она делала это лишь утром и вечером, но не в середине дня, нужны антенны, TrpA1 и Pyrexia.

Характерно, что мутации генов, участвующих в избегании синего цвета, никак не влияют на предпочтение зеленого, и наоборот. Таким образом, разные аспекты цветовых предпочтений у дрозофилы основаны на разных механизмах, работающих независимо друг от друга.


Цветовые предпочтения дрозофил зависят от времени суток

Рис. 3. Цветовые предпочтения мух с разными «настройками» циркадного ритма при разной продолжительности суточных циклов освещенности. perS — мухи-мутанты с ускоренными внутренними часами, для которых «естественная» продолжительность суток составляет 19 часов, wild-type — мухи дикого типа (для них «внутренние» сутки длятся 24 часа), perL — «замедленные» мухи с длительностью суточного цикла 29,5 часов, per0 — мухи-мутанты, лишенные внутреннего циркадного ритма. Видно, что нормальные утренние и вечерние пики любви к зеленому наблюдаются только в том случае, если суточный цикл освещенности совпадает с «внутренним» суточным ритмом мухи. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature


Дополнительные эксперименты показали, что для «правильной» смены цветовых предпочтений у дрозофил в течение суток необходимо, помимо прочего, еще и соответствие смены дня и ночи внутренним «биологическим часам» насекомого. Для этого были использованы мухи с мутациями гена Period, влияющего на ход внутренних часов. Выяснилось, что нормальные утренние и вечерние пики предпочтения зеленого цвета наблюдаются только в том случае, если внутренние циркадные ритмы мухи совпадают с периодичностью смены света и темноты (рис. 3).

Все расшифрованные компоненты механизмов, ответственных за цветовые предпочтения, суммированы на рис. 4.


Цветовые предпочтения дрозофил зависят от времени суток

Рис. 4. Схематическое изображение механизмов цветовых предпочтений, которые удалось расшифровать. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature


Новые данные о врожденных цветовых предпочтениях дрозофилы — важнейшего модельного животного — ставят перед учеными новые задачи и открывают новые возможности. Не исключено, что придется переосмыслить результаты некоторых прежних экспериментов, в которых дрозофилам предлагались на выбор разноцветные объекты (Дрозофилы учатся друг у друга и хранят культурные традиции, «Элементы», 03.12.2018). Недавно было показано, что у людей цветовые предпочтения могут зависеть от времени года (K. B. Schloss et al., 2017. Seasonal Variations in Color Preference). Возможно, стоит проверить, нет ли у людей и суточных колебаний, как у дрозофил.

Источник: Stanislav Lazopulo, Andrey Lazopulo, James D. Baker & Sheyum Syed. Daytime colour preference in Drosophila depends on the circadian clock and TRP channels // Nature. Published online 19 September 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1571-y.

Александр Марков


06 ноябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Самцы дрозофил поют серенады с умом

Ученые из Принстонского университета прислушались к тому, что поют самцы плодовых мушек, ухаживая за самками. Прежде считалось, что песня самцов целиком запрограммирована инстинктом и что любые ее

Мухи задумываются, принимая решение

В серии экспериментов ученым из Оксфордского университета удалось показать, что чем труднее задача, тем дольше мухи над ней думают. Как выяснилось из сравнения обычных мух с мухами мутантных линий, в

Половой отбор сделал сперматозоиды дрозофил самыми длинными в мире

Половой отбор может привести к появлению у животных самых причудливых форм и украшений. У плодовых мушек дрозофил это проявилось в гигантских размерах сперматозоидов. Их длина составляет несколько

Загадка синего цвета

Сейчас этот цвет не вызывает никакого удивления у людей. Кому–то этот цвет очень нравится. Тем не менее, раньше этого слова не было во многих языках. 

Розового цвета не существует

Так почему же мы его видим? Основными цветами, если речь заходит о зрении, являются красный, зелёный и синий. В задней части глазного яблока на тонкой светочувствительной сетчатке расположены

Почему мухи трут свои лапки?

Стоит только выглянуть солнышку, как на улицах и в наших квартирах появляются мухи. Они считаются одними из самых грязных насекомых на свете, поскольку переносят массу всяческой заразы на себе.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Шугаринг: плюсы и минусыПреимущества матрасов MatroluxeОсобенности продвижения сайтаТайник с серебряными шекелямиОчень большой телескопНеисправности и ремонт светодиодной лентыПрименение лазерных указокКак будет выглядеть война будущего