Повелители мух - Меганаука наукові новини та статті, нові відкриття та технології
Особливо сумна доля тих, хто живе та вмирає заради науки. Мухи - дрозофіли з'являються на світ божий у пробірках розміром не більше вказівного пальця. Вилуплені личинки борсаються в жовтувато-сірому дріжджовому розчині на дні. Подальший життєвий шлях простий: нажертися, видертися з пробірки, політати. Більшість дорослого життя йде на спарювання. Причому любовні ігри — як і решта вчинків дрозофіл — підпорядковані чіткому і водночас простому плану. Смерть приходить за два місяці. А іноді й раніше, якщо це треба Науці. Останній притулок жертв -міні - пилосос. Або «мушиний могильник» - ємність з водним розчином етанолу на робочому столі кандидата наук.
Cest la vie. Звичайно, дрозофіли трапляються і в дикій природі. Але жителям пробірок ця розкіш не світить. Тисячі поколінь мушок, що народилися та померли у віденському Інституті молекулярної патології, не бачили у своєму житті нічого, крім стін лабораторії. Тут створено навіть спеціальний «каталог» мух – дрозофіл. Жоден живий організм Землі, крім деяких нудних одноклітинних, не вивчений докладно, як дрозофила. Біологи називають дрозофіл «моделями». Модель «дрозофіла» допомагає біологам розібратися в хаосі буття, поєднаннях генів, білків і ферментів. Муха - дрозофіла для біогенетика - це такий же науковий інструмент, як телескоп для астронома або прискорювач частинок для фізика. Дада, ця крихітна крапка розміром два міліметри, дзижчання якої не чути. Це вона дає людству шанс заглянути з того боку матерії, проводити експерименти гігантського масштабу. Не багато не мало побачити, як із окремих молекул зароджується життя. Місце дії - Відень, Австрія, Інститут молекулярної патології. Тут із завзятістю, якому позаздрив би самдоктор Фауст, над чорнобрюхими дрозофілами проводять генетичні досліди, вирощують і розсилають світом для потреб Науки.
Засновника віденської лабораторії звуть Баррі Діксон, все своє наукове життя він присвятив спаровування дрозофіл. "Я сподіваюся розібратися не тільки в сексуальному житті мух, - пояснює він, - але і проникнути в глибинні таємниці людини". Серйозно? Виведених у неволі мух розсилають кур'єрською службою по всьому світу. Геном дрозофіли складається приблизно з 13767 генів, геном людини - з 25000. Гени мухи на 70 відсотків складаються з «гомологічних генів», аналогічних людським. Кількість наукових публікацій про дрозофіли у 2009 році: 1986.
На годиннику 5.30 ранку, на кухні віденської лабораторії починається робочий день. Франциска та Сабіна готують сніданок для мух у підвалі Інституту молекулярної патології. Вони замішують у сталевій чашці інгредієнти: кукурудзяне борошно, дріжджі, солодову добавку, буряковий сироп. По підвалу повільно розтікається тягучий, солодкувато-мерзкий аромат, фірмовий знак мушиних лабораторій.
Франциска та Сабіна підігрівають корм до 62 градусів, а потім розливають пробірками. Сьогодні їх рівно 13672. Рухи відпрацьовані до автоматизму. «Іноді ми замішуємо корм із підвищеною енергетичною цінністю. Тоді не шкодуємо дріжджів», — ділиться «кулінарними секретами» Сабіна. «Я раніше не могла їсти хліб, адже у нього схожий запах. Але тепер звикла», — каже Франциска.
Три поверхи вище — довгі коридори, світлі приміщення, величезні лабораторні столи. Світ науки, де все крутиться навколо мух – дрозофіл. Молоді вчені припали до мікроскопів. Скляні пробірки розставлені картонними коробками. Вони переміщаються з однієї лабораторії до іншої, як у конвеєрі. У кожній трубці кілька десятків мешканців, окремий штам. Їхбатьківщина-холодильні камери розміром з комору. Температура всередині — плюс 18, вологість повітря — 50 відсотків, кількість мух, що зберігаються, — п'ять мільйонів.
Віденські вчені хочуть повністю розшифрувати геном дрозофіл. Для цього вони створюють гігантську колекцію комах, куди входять тисячі мушиних штамів. Виходить світовий каталог мух - дрозофіл. Звідси, зі стін віденської лабораторії, мушок розсилають міжнародною кур'єрською службою FedEx клієнтам по всьому світу. Замовникам вже надіслано майже півмільйона пробірок. Ціна коштує від 2,5 до 35 євро, до оплати приймаються кредитні картки.
Щоб подивитися на те, як працюють із мухами, можна піднятися до лабораторії Юргена Кнобліха та його наукової асистентки, кандидата наук із Португалії Катарини Омем.
Зсунувши на лоб захисні окуляри, Катаріна порається з коробкою, де живуть мухи. У неї під столом стоїть ємність, схожа на цебро з водою. Катаріна опускає туди коробку із мухами. Лунає булькання та шипіння. Дослідниця виймає коробку з рідини та струшує. Під мікроскоп вивалюються мушині частини тіл: крильця, лапки, тільця. Катаріна посміхається: «Рідкий азот. Зброя масового знищення».
Під звуки поп-музики, що доносяться з радіоприймача, вчена вишукує в купі заморожених останків голівки мертвих мух. Наукова група Кноблі-ха займається дослідженням раку мозку. Об'єкт вивчення - нейрообласти, зародкові нервові клітини в мозку комах, які іноді при злоякісному переродженні продовжують ділитися. Кнобліх із колегами намагається зрозуміти, чому це відбувається. Для цього вони проводять «скринінг», тобто один за одним витягують із каталогу та обстежують усі штами дрозофіл.
Геноми лабораторних штамів містять один модифікований ген, мета якого-порушити функцію якогось "нормального" мушиного гена. Достатньо запустити "зіпсований" ген, і він заблокує процеси, за які відповідає його "напарник". Як правило, суть цих процесів - зчитування генетичного коду ДНК і його "доставка" в клітинні органоїди, де відбувається синтез білків. Вважаний код — це своєрідна «інструкція» щодо синтезу макромолекул білків, будівельного матеріалу для всіх організмів. Якщо зчитування ДНК порушено, синтез відповідних білків припиняється. Це дозволяє дослідникам дізнатися, який ген відповідає за якийсь білок.
Цей «шкідницький» маневр можна зробити з усіма 13767 мушиних генів. Саме так і вчинили вчені, які створили віденський каталог дрозофіл. Вочевидь, вони постійно удосконалюють методи своїх досліджень. Взяти хоча б один приклад – «активатор теплового шоку». Якщо його пересадити в геном дрозофіли, вистачить одного повороту лабораторного терморегулятора, і відповідний ген вирубається моментально. «Відключення» можна зробити будь-якої миті часу, в усіх органах мухи.
А що там із мушиним мозком? Припустимо, Катаріна Омем протестує кожен ген окремо і виявить, який із них порушує зростання мозкових клітин, коли блокується «ген – напарник». Тоді в її розпорядженні виявиться генетичний список, що програмує зростання життєво важливих клітин мушки - дрозофіли, а можливо, і людини.
Намагатися вирішити таке завдання можна лише на свіжу голову. Адже дослідниці належить проаналізувати геноми цілих 300 000 дрозофілів, попередньо заморожених у рідкому азоті. «Можна тільки сподіватися, що мухи не відчувають болю», -каже вона. Розвиток мозку - дуже складний, але далеко не єдиний процес, що протікає в організмі, що росте. Ніхто не розуміється на біології розвиткудрозофіл кращий за Крістіану Нюсляйн - Фольхард та її колеги Еріка Вішауса. Обидва вони працюють у Європейській молекулярно-біологічній лабораторії в Гейдельберзі на півдні Німеччини.
На зорі своїх досліджень вони й самі до ладу не знали, що і де шукати. Починали з безсистемного розведення та вивчення тисяч мушок – мутантів. На їхній порівняльний аналіз пішло два роки копіткої роботи. Видимі відхилення у розвитку окремих комах підказували вченим, внаслідок чого саме відповідають окремо взяті гени. Так виникла детальна схема розвитку дрозофіли на всіх стадіях: яйце-ембріон-личинка.
Але по-справжньому цікаво стало лише в той момент, коли дослідники зрозуміли: біологія розвитку дрозофіл має багато спільного з розвитком людини! Здавалося б, яке відношення до людини мають гени «біторакс», мутація яких призводить до зростання другої пари крил? Чи ген «антенапедія», мутація якого викликає зростання на голові лапок замість антен – вусиків? Однак саме існування, структура і принцип дії таких функціональних генів, що регулюють роботу інших генів, наводить на думку: очевидна схожість з генетичними процесами в організмі людини.
Останній загальний предок мухи та людини жив 600 мільйонів років тому. Проте функціональні гени у ході еволюції не змінилися. Якщо геном мухи вживити ген людини, який регулює розвиток ока, то в неї теж виростуть очі. Нормальні мушині очі. Доля мухи: життя в неволі і рання смерть.
У 1995 році Крістіана Нюсляйн - Фольхард, Ерік Вішаус та ще один колега з науки стали лауреатами Нобелівської премії з медицини та фізіології. Їх нагородили «за відкриття генетичного контролю на ранній стадії ембріонального розвитку». А сьогодні віденський «мушиний каталог» працює над науковим завданнямнаступного рівня. Мета вчених - навчитися одночасної фіксації всіх наслідків генетичного програмування організму.
Віденський каталог дрозофіл — свого роду архів перших 100 років експериментів з дрозофілами, паноптикум відхилень: представники штаму «мічені» на тільці мають знак тризубця. «Мафусаїли» живуть майже три місяці, а не два, як усі нормальні мухи. Штам «пірует» володіє мистецтвом пілотажу, а представники штаму «раптова смерть» — хлоп, і раптом ні з того ні з сього випромінюють дух.
Але всі ці дивацтво мало хвилюють вчених. Їхнє головне завдання — розібратися в механізмі геному. Чому ген X включається саме в цій клітині, а ген Y - в інший, і при цьому під їх загальним контролем знаходиться один і той самий орган? Раніше вчені були першовідкривачами - створювали, не соромлячись, мутантів і шукали ген, що кодує мутацію. Сьогодні вони перетворилися на «мережевих адміністраторів». Оскільки всі гени вже вивчені окремо, вчені шукають певні генетичні комбінації, наприклад код, що контролює серцевий ритм. Для цього вони вилучають із «банку» кілька штамів і вважають усі гени, що кодують биття серця. У плодової мушки їх набралося п'ятсот.
довгострокова мета вчених - зрозуміти механізми мислення. Інстинкти мух, ймовірно, в основному знаходяться під контролем генів. Але йдеться не про інстинкти, а про поведінку, яку важко пояснити. Які генетичні коди програмують ритуал спарювання? Коли, як і який ген підключається у них у мозку? Яким є вплив запахів, дій партнера за статевим актом? Яку роль відіграють пам'ять і кмітливість? Недосяжна поки що завдання біологів: спробувати повністю пізнати «пластичність» мозку. Як вдається генам управляти інстинктами живих істот? Зберігаючи при цьому відкритість для пізнання танового життєвого досвіду? І що, якщо не ця природна пристрасть до пізнання, відноситься до основ нашого світорозуміння?
Баррі Діксон - один з піонерів нової науки. Заради дрозофіл він перебрався із США до Австрії, перевівся з Каліфорнії до віденського інституту. Баррі Діксон-біолог, але аж ніяк не прихильник біологізму. Звичайно, він розуміє: люди влаштовані набагато складніше за якісь там мухи. І поведінка людини - це результат не тільки генетичних процесів, а й впливу мови та культури.
І все-таки: щоразу, вивчаючи дрозофіл під мікроскопом, людина мимоволі ніби пізнає себе в дзеркалі. Томас Хант Морган використав мушок, щоб продемонструвати основи хромосомної теорії спадковості. Крістіана Нюсляйн - Фольхард розклала по поличках ембріональний розвиток на прикладі дрозофіл. А нервові системи у всіх організмів і поготів ідентичні. Це Баррі Діксон знає точно.
Тож не заважало б серйозно прислухатися до слів вчених, які стверджують: «Якщо ми справді хочемо пізнати глибини людського мозку з усіма його молекулярними та генетичними лабіринтами, то спочатку потрібно вивчити дрозофіл».
Крістіна Келеман спостерігала одного разу в мікроскоп несамовиту сцену, від якої їй стало не по собі. Коли одна дрозофіла застрягла у пластиковій скріпці, до неї відразу поспішила інша і допомогла вибратися з пастки.
Без сумніву: у мух є характер та індивідуальність. Баррі Діксон та Крістіна Келеман планують створити єдину модель для прогнозування поведінки дрозофілу. Причому таку, щоб у ній знайшлося місце всім індивідуальних відмінностей. Але дрозо - філолог Мартін Гейзенберг із Вюрцбурга сумнівається у доцільності проекту. Він завантажує своїх дрозофіл у спеціальний симулятор польоту та фіксує схему їх рухів. Його висновок:поведінку дрозофіл неможливо спрогнозувати.
Мартін Гейзенберг вбачає тут принцип, який виявив в атомах його батько, фізик Вернер Гейзенберг. Це принцип невизначеності. Щодо живих організмів цей принцип формулюється як. Свобода волі. Існування принципу невизначеності доведено на прикладі дрозофіли чорнобрюхою.
У людини розумної залишається безліч запитань. Наприклад, невже настане день, коли людина зможе сказати, що пізнала свій власний мозок завдяки плодовим мушкам? І невже вчені справді дізнаються, чому самці чорнобрюхих дрозофіл спаровуються по-різному? Чому один перед статевим актом чекає 15 хвилин, а інший кидається на самку чи не одразу? І до чого тут індивідуальність? А може, людству так ніколи і не вдасться збагнути сутність життя і люди приречені відставати від його неймовірного біологічного різноманіття?
Відповіді на всі ці питання ми отримаємо через 50 років, а може, і через 100. На зміну Баррі Діксону прийдуть інші вчені. Сидячи в лабораторіях, вони задаватимуться зовсім іншими питаннями. А що буде з мушками? Вони точно нікуди не дінуться!