Kolik druhů plžů je na světě?

Shellfish jsou superúspěšným projektem matky přírody. Koneckonců, mnoho z nich, které se změnilo jen málo, přežilo stovky milionů let. Ale jako modelové objekty (kterým věnujeme tento speciální projekt) je nemáme rádi – jejich nervový systém obsahuje buňky viditelné pouhým okem: dosahují milimetrových rozměrů a mají výběžky srovnatelného průměru. Vznikající neurofyziologie právem považovala takové obrovské a vzrušivé buňky za zázrak přírody. Takže měkkýši se z moří, rybníků a zahrad přesunuli do laboratoří, kde sloužili a slouží neurovědě.

Dvanáct modelových organismů

Ahoj! Jmenuji se Sergey Moshkovsky. Vážení redaktoři Biomolecules, po vydání nástěnného kalendáře o modelových organismech na rok 2020, mi objednali longread, který měl jako přísný doprovod doprovázet kalendář na webu. Chvilková slabost – kolik jich v životě bylo! – a už souhlasím. Ale jak psát? Koneckonců o každém modelovém zvířeti zobrazeném v kalendáři a také o několika desítkách, které se tam nevešly, byly napsány svazky vědecké a dokonce populární literatury. Budete muset psát nenovinářsky, z hlavy, aby nevyšlo něco jako báseň „Moskva – Petushki“, kde jsou místo stanic modelové organismy. Já a několik dalších autorů vám představujeme sbírku pestrých kapitol – budou vycházet v průběhu roku 2020. Čtenáři, omlouvám se! Víte, koho za to můžete vinit!

Tlusté dráty — Vědci z obtížných rodin — Jedlý model — Velké neurony pro velkého slimáka — Živý mikroobvod — Jedovaté čípky

Měkkýši jsou největším kmenem bezobratlých, druhým po členovcích z hlediska biologické rozmanitosti. Organismům této skupiny se 500 milionů let daří v mořích a o něco méně na souši. Zástupci kmene, který obsahuje tři velké třídy – hlavonožce, plži a mlži – spojuje přítomnost zvláštní anatomické formace – róby, v jehož dutině se nacházejí životně důležité orgány. Také typické pro většinu druhů dřezu vyrobeno z organického rámu vyztuženého uhličitanem vápenatým. Pro náš zájem o modelové organismy u měkkýšů je ale důležité něco jiného – rysy evoluce jejich nervového systému. Pokud u mnoha skupin zvířat dochází ke zlepšení nervového systému v důsledku zvýšení počtu prvků – neuronů – pak se u měkkýšů samotné nervové buňky a jejich procesy zvětšily. Proto tyto obří buňky přitahovaly pozornost experimentátorů: pracuje se s nimi mnohem snadněji než například s malými neurony hmyzu nebo savců.

Nervy jsou jako provazy

Chobotnice se pohybují na reaktivním principu a mocně vytlačují proud vody z dutiny pláště. Svalový aparát, který tuto práci vykonává, je inervován obřím axonem – eferentním (tedy odstředivým) procesem obří nervové buňky – neuronu. Ujasněme si, že obří axon je šňůra o průměru půl až jeden a půl milimetru.

Pozornost neurofyziologů na tento objekt je in chobotnice obecná (Loligo vulgaris) zaujal ve 1930. letech XNUMX. století uznávaný britský zoolog John Zacharias Young. O několik desetiletí později fyziologové Alan Lloyd Hodgkin a Andrew Fielding Huxley experimentovali s obřím axonem chobotnice dlouhoploutvé (Doryteuthis pealeii), vytvořili model pro šíření akčního potenciálu (tedy nervového vzruchu) podél něj. Elektricky excitovatelné články se vyznačují nábojem na membráně – klidový potenciál [1], udržované rozdíly v koncentracích iontů vně a uvnitř buňky. V nejjednodušším znázornění je koncentrace sodných iontů v extracelulárním prostoru vyšší než uvnitř buňky a u draselných iontů je tomu naopak. Tento stav je aktivně udržován: buňka na něj utrácí energii. Když je na excitovatelnou buňku aplikováno elektrické napětí nad prahovou hodnotou, otevřou se napěťově citlivé iontové kanály – transmembránové proteinové komplexy speciálně navržené pro tento účel evolucí. Odpor membrány je překonán a tok sodných iontů se řítí do buňky – vzniká a šíří se amplituda větší než klidový potenciál, akční potenciál . Hodgkin a Huxley izolovali obří axon olihně, do kterého mohli umístit nemotorné a velké elektrody té doby, a modelovali proces přenosu signálu. Tyto experimenty jsou klasickým využitím modelového objektu, kdy je experimentátorům jedno, odkud axon získali, pokud je kompatibilní s dostupnými experimentálními podmínkami.

Více informací o akčním potenciálu, axonu olihně, elektrodách a pokusech s nimi si můžete přečíst v článku “Neurobiologie“[2] našeho cyklu”12 metod na obrázcích“.

S využitím výsledků měření elektrochemických parametrů přenosu impulsů na obřím axonu a návrhu elektrického obvodu tohoto objektu vytvořili Hodgkin a Huxley matematický model přenosu elektrického signálu v nervovém systému, který obecně správně popisuje tento proces (obr. 1). ) [3]. Model se stal jedním z příkladů, kdy byla biologie úspěšně přeměněna na exaktní vědu, o kterou dodnes s různou mírou úspěchu usiluje. Následně byl model zpřesněn – zpočátku obsahoval pouze proměnné související se sodíkovými a draselnými proudy. Vědci měli štěstí: axon měkkýšů nemá myelinovou pochvu charakteristickou pro nervovou tkáň čelistnatých obratlovců – nevodivou vrstvu s vodivými můstky. Přítomnost tohoto pláště urychluje přenos signálu, ale mohla by zkomplikovat tvorbu modelu.

Hodgkin a Huxley jsou výzkumníci z těžkých rodin. Dědečkem Andrewa Huxleyho, jakkoli to může znít paradoxně, byl Thomas Huxley (1825–1895), spolupracovník Darwina, kterému se pro jeho zuřivou obranu evolucionismu dokonce přezdívalo jeho „buldok“. Jedním ze starších bratrů neurofyziologa je slavný spisovatel Aldous Huxley. Za jeho nejslavnější knihu je považována dystopie „Brave New World“, jejíž mnohé epizody dnes můžeme vidět realizované ve skutečnosti. Jedním z předků Alana Hodgkina byl slavný anglický lékař Thomas Hodgkin (1798–1866), jehož jméno je otištěno v jím objevené krevní chorobě – Hodgkinově lymfomu.

Tradice přepisování anglických příjmení byla v 19. a 20. století odlišná, proto tento neoficiální rozpor. Proč, jak bylo nedávno řečeno, je doktor Watson a Emma je Watson?

Hodgkinovi a Huxleymu obecně bylo jedno, čí axon při své práci používají. Mezitím chobotnice rodu Loligo, stejně jako všichni hlavonožci obecně, jsou velmi pozoruhodní tvorové. Tuto ranou izolovanou skupinu měkkýšů lze právem považovat za jeden z vrcholů evoluce bezobratlých. Mezi hlavonožci jsou známy druhy, které se vyznačují neobvykle složitým chováním. Můj přítel, mořský biolog, například nejí chobotnice a považuje je za „mořské primáty“ [4]. Mimochodem, je třeba poznamenat, že chobotnice loligo je jediným jedlým a komerčním druhem v našem kalendáři. Hlodavci a primáti jsou samozřejmě také občas konzumováni lidmi, ale ne v takovém měřítku.

Nabízí se logická otázka: proč je axon chobotnice obří, ale například kočka nebo pes to nemají? To je vysvětleno obecným stylem morfologie nervového systému měkkýšů. Jeho funkčnost je zajištěna nikoli znásobením počtu nervových buněk, ale zvětšením jejich velikosti. Například signál je přenášen rychleji podél obrovských procesů neuronů.

Slimák velikosti zajíce

Zvláště velké neurony jsou také charakteristické pro další modelový objekt nakreslený na stránce kalendáře (a tato stránka je znázorněna na obrázku 4) – mořský slimák Kalifornie Aplysia. Slimáci a hlemýždi jsou známí jako plži. Zdá se, že ve školní učebnici žil velký rybniční hlemýžď ​​- sladkovodní plicní hlemýžď, který se vrátil k vodnímu životnímu stylu. “Cože, jsou tam mořští šneci a slimáci?” – budou se ptát moskevské děti. Ve skutečnosti existuje podle různých odhadů 15 až 25 tisíc druhů plžů, z nichž více než dvě třetiny jsou mořské [5]. Zároveň pro srovnání neexistuje více než 5,5 tisíce druhů savců. Aplysia je rod velkých plžů se zmenšenou schránkou, nazývaných také mořští zajíci. Středomořské aplysie jsou známy již od starověku a právě v nich byly na počátku minulého století objeveny pozoruhodné strukturní rysy nervového systému [6]. Největší zástupci rodu dosahují obrovských velikostí. Například, Aplysia vaccaria od pacifického pobřeží Severní Ameriky může dosáhnout délky až 1 m a hmotnosti až 15 kg. Dalším příbuzným druhem je Kalifornská Aplysia (Aplysia californica) – naučili jsme se ho chovat v mořských akváriích, jejichž podmínky dobře snáší. Býložravé aplysie se navíc v zajetí živí snadněji než dravé druhy měkkýšů.

Devět ganglií centrálního nervového systému Aplysie obsahuje ne více než 20 tisíc neuronů a dosahují poměrně velké velikosti. Například neuron pod označením R2, podle výzkumníků má gargantuovskou velikost – dosahuje 1 mm v průměru, což odpovídá velikosti celého mozku mouchy Drosophila. Mimochodem, nervový systém tohoto modelového hmyzu obsahuje přibližně 135 tisíc neuronů! Jak jsem řekl v příběhu o chobotnici, strategií měkkýšů není znásobit počet prvků v nervovém systému, ale zvětšit jejich velikost. Je třeba poznamenat, že každý obrovský neuron Aplysia je schopen fungovat v různých režimech, jako nervový ganglion [6].

Gargantua je obrovský a laskavý žrout, hrdina satirického románu francouzského spisovatele Francoise Rabelaise ze 16. století „Gargantua a Pantagruel“.

Tato vlastnost udělala z plžů vynikající model pro aplikaci elektrod na jednotlivé neurony. Mohli být stimulováni a jejich vzrušení zaznamenáno během důležitých nervových mechanismů, jako je učení, krátkodobá a dlouhodobá paměť. Aplysia fungovala jako živý mikroobvod, který bylo možné pájet pomocí elektrod. Mnoho neuronů jeho ganglií bylo morfologicky a funkčně zmapováno, a proto obdržely trvalá písmenná označení.

Vynikající příspěvek ke studiu reflexů Aplysia měl rakousko-americký neurolog Eric Kandel. Podrobně studoval zejména práci jednotlivých neuronů při realizaci reflexu retrakce žaber měkkýšů (obr. 2) [7]. Zde Aplysia působila jako reálný model – později byly mnohé principy fungování jejích nervových okruhů potvrzeny v instrumentálně složitějších experimentech na obratlovcích.

Sovětská neurobiologie měla ze zřejmých důvodů omezený přístup do Kalifornie Aplysie. Modelovým organismem u nás proto tradičně byl snadněji udržovatelný suchozemský měkkýš – hroznový hlemýžď (Helix pomatia). Na tomto místě bylo reprodukováno a doplněno mnoho studií [8] provedených o Aplysii. Rozdíl, který je pro výzkum Aplysie přínosný, je, když se ke klasické neurofyziologii přidá molekulární výzkum: mořský zajíc je jedním z mála plžů s dobře prostudovaným (i když stále neúplně sekvenovaným) genomem. Genomy těchto bezobratlých je obtížné dešifrovat – obsahují mnoho repetic a konvenční nástroje testované na genomech jiných skupin často nefungují.

Zajímavým rysem obřích neuronů Aplysie a dalších plžů je neuvěřitelná závažnost polyploidie. Genom těchto buněk prochází během vývoje endomitózou – množí se v jádře, aniž by došlo k rozdělení celé buňky. Vypadá to fantasticky, ale obří neuron R2 může obsahovat až 600 tisíc jednotlivých genomů! Správné fungování obrovského neuronu se stejně obřími procesy zjevně vyžaduje použití mnoha kopií genomu. Navíc se předpokládá, že to chrání nedělící se buňky před hromaděním somatických mutací: vytvářejí se jakési záložní kopie genomu.

Svět plžů je fascinující, chci o nich donekonečna přemýšlet a psát. Pro člověka je důležitá další obrovská skupina mořských plžů – nadčeleď šiškových plžů (Conoidae) s šesti tisíci popsanými druhy (obr. 3) [9]. Šišky Vedou dravý životní styl a někteří z nich jsou schopni zabít kořist jedem. Rohové struhadlo – potěšen – v jejich ústní dutině se proměnil v dravý harpunový zub, který je prudce vymrštěn, probodává tělo oběti a vstřikuje jed ze speciální žlázy (cm. video). Ten obsahuje koktejl nervových toxinů proteinové povahy, hlavně inhibující iontové kanály v nervových buňkách oběti. Velké rybožravé šišky, např. Conus geographicus z pobřeží Filipín jsou schopni kousnout člověka, někdy dokonce smrtelně. Toxiny, zejména ty, které jsou schopné ovlivnit člověka, přitahují nejen zoology, ale také vývojáře léků. Například jeden z konotoxinových peptidů jedu velkého kužele Conus mágus se stal prototypem nového léku proti bolesti – zikonotid (obchodní název „Prialt“), k dispozici pacientům od roku 2005. Do mozkomíšního moku se vstřikuje umělý konotoxin, což je nepohodlné, ale je tisíckrát silnější než morfin a nevyvolává závislost.

Takové směsi toxinů jsou pro výzkumníky neuvěřitelně atraktivní. Zejména jsou také studovány v Ústavu bioorganické chemie Ruské akademie věd, přičemž konotoxiny jsou považovány za vysoce specifické ligandy acetylcholinových receptorů nikotinového typu. Na těchto studiích se podílejí i teoretici, kteří pomocí počítačových výpočtů předpovídají mutace v těchto malých peptidech a dále zvyšují jejich afinitu k jejich receptorům [10].

Díky

Autor je vděčný svému příteli, badateli jedových kuželů Alexandru Fedosovovi (Institut pro ekologii a evoluci pojmenovaný po A.N. Severtsovovi), který vyprávěl mnoho zajímavého o mořských plžech a poskytl originální fotografii svých vlastních sbírek lastur z Filipín.

Literatura

1. Tvorba klidového membránového potenciálu;
2. 12 metod na obrázcích: neurobiologie;
3. A. L. Hodgkin, A. F. Huxley. (1952). Kvantitativní popis membránového proudu a jeho aplikace na vedení a excitaci v nervu. Journal of Physiology. 117500-544;
4. Sy Montgomery: “Duše chobotnice: Úžasná cesta do tajemství vědomí.” Posouzení;
5. Philippe Bouchet, Jean-Pierre Rocroi, Bernhard Hausdorf, Andrzej Kaim, Yasunori Kano, et. kol.. (2017). Revidovaná klasifikace, nomenklátor a typizace čeledí plžů a monoplakoforů. Malakologie. 611-526;
6. Leonid L. Moroz. (2011). Aplysia. Current Biology. 21R60-R61;
7. E. R. Kandel. (2001). Molekulární biologie ukládání paměti: Dialog mezi geny a synapsemi. Věda. 2941030-1038;
8. Pavel M. Balaban, Alia Kh. Vinarskaya, Alena B. Zuzina, Victor N. Ierusalimsky, Aleksey Yu. Malyšev. (2016). Poškození serotonergních neuronů, které jsou základem zesílení, vyvolává zánik opakovaně reaktivované kontextové paměti. Sci Rep. 6;
9. Jawad Abdelkrim, Laetitia Aznar-Cormano, Alexander E Fedosov, Yuri I Kantor, Pierre Lozouet, et. kol.. (2018). Fylogenie a diverzifikace jedovatých plžů (Neogastropoda, Conoidea) založená na zachycení exonu. Molekulární biologie a vývoj. 352355-2374;
10. Igor E. Kaševerov, Anton O. Chugunov, Denis S. Kudrjavcev, Igor A. Ivanov, Maxim N. Žhmak, et. kol.. (2016). Analogy α-konotoxinu PnIA s vysokou afinitou navržené na základě metody topografie proteinového povrchu. Sci Rep. 6.