Земные модели: необычные и удивительные
Обычная плодовая мушка Drosophila — надоедливый вредитель на кухне — в науке является организмом-моделью огромной важности. Более века ученые используют Drosophila для изучения генетики и биологического развития. Множество нобелевских открытий связано с исследованиями на этих мушках, которые сегодня помогают понять сложности социального поведения и полового отбора.
«Организмы-модели жизненно важны для биологических исследований, — говорит Роберт Миллер из Национального научного фонда США (NSF). — Они позволяют изучать фундаментальные биологические процессы — универсальные «правила жизни», которые затем можно применять к более сложным видам, включая человека».
Все модели обладают общими чертами: они недороги, просты в уходе, быстро растут и имеют относительно простое строение. Помимо Drosophila, к классическим моделям относятся растение резуховидка Таля (Arabidopsis), рыбка данио-рерио и пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae).
Однако некоторые ученые ищут новых существ для решения новых биологических задач — от понимания того, как наши предки вышли на сушу, до химии нервной системы.
«Можно думать о животных как о продукте долгой истории природных экспериментов, — говорит Сэнди Кавано из Национального института математического и биологического синтеза (NIMBIoS). — Им есть чему нас научить». Изучение разнообразия жизни на Земле стимулирует инновации.
Первые шаги на суше
Чтобы изучить движение первых четвероногих (тетрапод), вышедших на сушу около 400 млн лет назад, Кавано обратилась к тигровой амбистоме. Ее команда из NIMBIoS и Университета Клемсона снимала саламандр, идущих по силоизмерительной платформе, и совмещала эти данные с анатомическими, создавая математическую модель для расчета прочности конечностей.
Оказалось, что передние конечности саламандры жестче и выдерживают большую нагрузку, чем задние, то есть кости передних лап прочнее. Это исследование проливает свет на то, как форма определяет функцию конечностей, и помогает интерпретировать палеонтологическую летопись.
Песни города
Биолог Дэвид Лютер из Университета Джорджа Мейсона изучает, как животные адаптируются к городской среде. На гранты NSF он исследует белобровых зонотрихий, чтобы понять, как городской шум меняет коммуникацию птиц.
Эти птицы идеальны для таких исследований, потому что разные их подвиды поют совершенно по-разному. Лютер и его коллега Элизабет Дерриберри из Университета Тулейна сравнили записи песен 1960-х годов с современными.
Они обнаружили, что птицы изменили высоту своих песен, вероятно, чтобы их было слышно в шуме дорожного движения. Они также поют громче. Исследователи выяснили, что самцы на более шумных участках поют на более низкой высоте, что снижает вокальную производительность их песен и делает их менее успешными в поиске партнера.
«Большинство животных, сталкиваясь с сильным шумом, просто уходят, — говорит Лютер. — Но некоторые остаются. Если мы поймем, как и почему им это удается, мы сможем применить эти знания и к другим видам».
Паутина как инструмент
Европейский садовый паук использует для общения вибрации, «играя» на своей паутине. «Вибрация — один из самых распространенных способов восприятия мира у животных», — говорит биолог Дэмиан Элиас из Калифорнийского университета в Беркли.
При поддержке NSF Элиас сотрудничает с инженером Россом Хаттоном из Университета штата Орегон, чтобы изучить физику вибраций паутины.
Эти пауки плетут колесовидные сети, которые служат им целым сенсорным миром, позволяя различать добычу, хищника, партнера или врага.
Хаттон создал в лаборатории искусственную паутину увеличенного размера из нейлона и эластичных латексных шнуров, имитирующих два типа нитей в настоящей паутине. Паутина закреплена в рамке с динамиками, которые заставляют ее вибрировать. Искусственные «пауки» с акселерометрами на каждой «лапе» позволяют точно измерять вибрации.
Эксперименты Хаттона используются для создания вычислительной модели, которую Элиас проверяет в своей лаборатории на реальных паутинах. Эта работа помогает решить фундаментальный физический вопрос — как движутся связанные друг с другом нити — на реальном биологическом примере.
«Мы погружаемся в инженерные и физические проблемы, чтобы по-настоящему понять, что происходит в мире паука», — говорит Хаттон.
Это понимание может быть распространено на других пауков, проливая свет на поведение и экологию одной из самых многочисленных групп животных. Паутина, как и другие биологические структуры, представляет собой удивительное инженерное достижение: она должна быть прочной, уловистой для добычи и гибкой.
«Это одно из преимуществ фундаментальных исследований, — говорит Элиас. — Небо — предел для возможных применений, включая создание новых материалов или структур по биологическому образцу».