Активные круглосуточно и чувствуют себя прекрасно
Циркадные часы контролируют суточный цикл многих живых существ. Но как работают эти внутренние хронометры у животных, чья активность не следует этому паттерну? Ученые из Вюрцбургского университета исследовали этот вопрос на примере медоносных пчел.
Пчелы-сборщицы выполняют demanding job: они постоянно курсируют между ульем и цветущими лугами в поисках нектара, пади и пыльцы. Их циркадные часы, среди прочего, подсказывают, когда нужно прибыть к открывающимся цветкам и когда отдыхать, потому что источники пищи «закрыты».
Эти же часы помогают передавать информацию о хороших местах сбора другим пчелам. Поскольку насекомые используют солнце в качестве ориентира для навигации, позже часы помогают рассчитать маршрут полета.
Пчелы-кормилицы также выполняют крайне strenuous job, но по другой причине: их задача — кормить старших личинок желе из пыльцы и меда практически non-stop. При этом они не следуют 24-часовому ритму с чередованием фаз отдыха и активности.
Исследование в Open Biology
Международная команда ученых из Израиля, Германии и Новой Зеландии исследовала, как работают циркадные часы у пчел-сборщиц и кормилиц, какие молекулярные механизмы отвечают за их разное поведение и как устроена часовая сеть в мозге пчелы. В исследовании участвовала профессор Шарлотта Хельфрих-Фёрстер и ее команда из Вюрцбургского университета. Результаты опубликованы в журнале Open Biology.
Значение исправных часов
«Дисфункция циркадных часов, контролирующих суточные ритмы, повышает риск различных заболеваний, таких как рак, метаболические и психические расстройства, инфаркты и бесплодие», — объясняет нейробиолог. Однако некоторые животные, включая социальных насекомых, активны круглосуточно без видимого вреда. Механизмы, позволяющие эту plasticity, были largely unknown.
Активность генов под микроскопом
Ученые создали и валидировали специфическое антитело против часового белка PERIOD медоносной пчелы (Apis mellifera) и использовали его для характеристики циркадной сети в мозге пчелы. Антитело показывает пространственное распределение сети, а его концентрация позволяет делать выводы об активности соответствующих clock genes.
Один из результатов: медоносная пчела имеет ряд общих черт с плодовой мушкой Drosophila melanogaster и другими насекомыми. Это указывает на общие принципы анатомической организации часов у насекомых.
Затем исследователи измерили концентрацию белка PERIOD в мозге пчел в течение 24 часов. Как и ожидалось, у пчел-сборщиц, следующих суточному циклу, наблюдались сильные ритмические колебания. Однако уше surprise, активные круглосуточно кормилицы демонстрировали такой же ритм в концентрации белка, как и сборщицы. Это подтверждает гипотезу, что их циркадные часы тоже «тикают».
Это было тем более удивительно, поскольку предыдущие эксперименты израильской группы показали отсутствие этого ритма на уровне генов (концентрации messenger RNA). «Мы предполагали, что их циркадные часы остановились», — отмечают ученые.
Оказалось, это не так. Циркадные часы пчел-кормилиц работают на уровне белка и отлично синхронизированы с суточным ритмом внешними стимулами.
Функциональные часы crucial
Это открытие согласуется с другими наблюдениями. Так, аритмичные кормилицы, изолированные от улья, быстро переключаются на активность с циркадными ритмами. Вероятно, это возможно потому, что более 160 потенциальных pacemakers в мозге кормилицы все равно колеблются в 24-часовом ритме (более 540 у сборщиц), что указывает на циркадное влияние на многие процессы в их мозге.
«Эти находки демонстрируют, что паттерны активности животных могут быть uncoupled от циркадной сети, — говорит Шарлотта Хельфрих-Фёрстер. — В то же время они подтверждают гипотезу, что функционирующие циркадные часы необходимы — даже животным, активным круглосуточно».