Zachowanie zwierząt

Drosophila jako organizm modelowy

Pospolita muszka owocowa, Drosophila melanogaster, jest szeroko stosowanym organizmem modelowym w biologii, chociaż może być częściej rozpoznawana jako szkodnik kochający owoce. Istnieje wiele powodów, dla których D. melanogaster jest doskonałym organizmem eksperymentalnym: ich około dwutygodniowy czas pokolenia pozwala na badanie wielu pokoleń, są łatwo utrzymywane w bardzo małych rurkach, a ich dymorfizm płciowy umożliwia badaczom łatwe rozróżnienie samców, które mają czarne ubarwienie w kierunku tyłu, od samic, które mają prążkowane odwłoki.

Thomas Hunt Morgan i jego studenci byli jednymi z pierwszych, którzy wykorzystali Drosophila na początku XX wieku. W 1933 roku Morgan otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie roli chromosomów w dziedziczności, które zostało oparte na jego obserwacjach zmutowanej Drosophila. Morgan kontynuował swoje badania, generując nowe mutanty za pomocą promieniowania. Obecność wielu mutantów o dyskretnym wpływie na wygląd muchy umożliwiła mu przyjrzenie się wzorcom dziedziczenia wieloczynnikowego. Kluczowym aspektem jego wczesnej pracy było odkrycie pozornych naruszeń drugiego prawa Mendla, które mówi, że geny segregują się niezależnie od siebie. Obserwacje Morgana wykazały, że geny nie będą segregować się niezależnie, jeśli są połączone ze sobą na tym samym chromosomie. Co więcej, możliwe stało się określenie lokalizacji genów na chromosomie względem siebie poprzez analizę częstotliwości ich rekombinacji, co uruchomiło badania mapowania genów w celu określenia lokalizacji genu i odległości między genami. W związku z tym współpracownicy laboratorium Morgana otrzymali dwie dodatkowe Nagrody Nobla za inne badania nad genetyką Drosophila. Sukces Morgana i nagromadzone informacje o Drosophila zainspirowały innych do przyjęcia ich jako organizmów eksperymentalnych, co wzbogaciło naszą wiedzę o nich i stopniowo zwiększyło ich wartość jako organizmu modelowego. Inni naukowcy opracowali wiele mutacji. Ponad 27 000 unikalnych linii Drosophila jest obecnie utrzymywanych jako kultury hodowlane w centrach hodowlanych Drosophila i są łatwo dostępne dla laboratoriów, które używają ich jako narzędzi do badania różnych aspektów biologii, w tym zachowania¹.

Etologia Drosophila

Zachowanie zwierząt lub etologia to nauka o tym, jak zwierzęta wchodzą w interakcje ze sobą i swoim środowiskiem. Chociaż jest to stosunkowo młoda dziedzina biologiczna, etologia ma ważne implikacje, ponieważ przetrwanie organizmu zależy od tego, jak zachowuje się w odniesieniu do możliwych partnerów, źródeł pożywienia i naturalnych przeszkód. Badanie tych organizmów pomaga naukowcom zrozumieć konteksty tych zachowań i mechanizmy leżące u ich podstaw, jak ewoluowały. Tak więc celem badań nad zachowaniem zwierząt jest znalezienie genetycznej podstawy dla zachowań wykazywanych przez jednostki lub grupy osobników. Na przykład dobór krewniaczy, po raz pierwszy zaproponowany przez Williama Hamiltona, sugeruje, że jednostki będą zachowywać się altruistycznie, gdy poświęcą się dla członka rodziny, a^{nie dla} obcego. Dzieje się tak dlatego, że spokrewnione osobniki mają więcej genów niż niespokrewnione, a przyszła reprodukcja przez ich krewnych przyczynia się w pewien sposób do ich własnej sprawności lub sukcesu reprodukcyjnego. W związku z tym obserwacja, w jaki sposób organizmy takie jak Drosophila wchodzą w interakcje ze swoim środowiskiem, może pozwolić nam zrozumieć, w jaki sposób te zachowania są zakodowane. Ponadto zachowania te zapewniają wgląd w to, w jaki sposób organizmy te przystosowały się do radzenia sobie ze środowiskiem i przetrwania.

Zachowania kierunkowe są powszechnie badane w celu zrozumienia podstaw tego, jak i dlaczego organizm porusza się w swoim środowisku. Kineza i taksówki to dwie formy zachowań kierunkowych. Kineza obejmuje ruchy wywołane bodźcem w losowych kierunkach, takie jak losowy ruch much po przegonieniu. Z drugiej strony, taksówki obejmują ruch wywołany bodźcem w określonym kierunku, na przykład lecące w kierunku żarówki. Zachowania taksówki są pozytywne, jeśli zwierzę porusza się w kierunku bodźca i negatywne, jeśli zwierzę oddala się od bodźca. Co więcej, zachowania taksówek są nazywane na podstawie konkretnego bodźca, który je wywołuje. Na przykład geotaksja jest reakcją na grawitację, gdzie geotaksja dodatnia oznacza, że organizm porusza się zgodnie z grawitacją. Fototaksja to ruch w odpowiedzi na światło, taki jak dodatnia fototaksja ciem w kierunku żarówki. Podobnie, chemotaksja to przyciąganie lub unikanie unoszących się w powietrzu sygnałów chemicznych, takich jak negatywna chemotaksja wielu drapieżników, w tym ludzi, w odpowiedzi na zapach sprayu. Co więcej, istnieje wiele innych rodzajów podatków, które są badane przez naukowców, w tym aerotaksja, barotaksja, hydrotaksja i magnetotaksja, które są ruchami w odpowiedzi odpowiednio na tlen, ciśnienie, wodę i pola magnetyczne.

Badanie zachowania taksówek Drosophila

Powszechną i prostą metodą badania zachowania taksówek Drosophila jest użycie komory wyboru, która pozwala na obserwację kierunkowej reakcji muchy na określony bodziec, taki jak grawitacja, światło lub substancja chemiczna. Drosophila umieszcza się w środku komory wyboru, a następnie pozwala się im swobodnie wędrować po komorze, która została zaprojektowana tak, aby alternatywne bodźce mogły być prezentowane po przeciwnych stronach. Po okresie wędrówki liczy się liczbę much po obu stronach komory wyboru. Liczba much po każdej stronie komory jest następnie analizowana za pomocą testu Chi kwadrat, aby ocenić, czy istnieje preferencja dla bodźca.

Porównanie kierunkowego zachowania zmutowanej i dzikiej Drosophila pozwala naukowcom określić rolę zmutowanego genu w tym konkretnym zachowaniu. Co więcej, naukowcy starają się również zrozumieć, w jaki sposób zwierzęta decydują, co zrobić w obecności kombinacji bodźców, w tym bodźców^sprzecznych3. Razem badania te mogą pomóc przewidzieć, jak organizmy będą reagować na określone bodźce lub zmiany czynników środowiskowych.

Odwołania

1. Kucharz KR, Parks AL, Jacobus LM, Kaufman TC, Matthews K. Nowe zasoby badawcze w Bloomington Drosophila Stock Center. mucha. 2010, Vol. 4, 1: 88-91.
2. WD, Hamilton. Altruizm i zjawiska pokrewne, głównie u owadów społecznych. Ann Rev Ecol Systematics. 1972, t. 3, s. 193-202.
3. Gepner R, Skanata MM, Bernat NM, Kaplow M, Gershow M. Obliczenia leżące u podstaw foto-taksówek, zapachów-taksówek i integracji wielozmysłowej. eLife. 2015, tom 4, e06229.

Czy zdarzyło Ci się kiedyś zostawić na chwilę miskę z owocami i wrócić, aby odkryć osadę muszek owocowych? Ale dlaczego muszka owocowa jest przyciągana do dojrzałych owoców? Innymi słowy, jaki jest bodziec, który mówi im, dokąd mają się udać? Analiza ta jest częścią szerszej dziedziny zwanej etologią, która jest badaniem zachowania zwierząt.

Bodziec może powodować dwa rodzaje ruchów zwierząt. Kineza, która jest bezkierunkowa lub losowa, lub taksówki, które są kierunkowe. Przykładem kinezy może być ruch much w losowych kierunkach, gdy są przeganiane. I odwrotnie, przykładem taksówek może być skierowany ruch much z powrotem w kierunku dojrzałego owocu. Ten specyficzny rodzaj taksówek jest określany jako chemotaksja, a ponieważ jest skierowany do stymulanta, jedzenia, jest dalej definiowany jako pozytywna chemotaksja. Przykładem negatywnej chemotaksji może być mucha oddalająca się od środka odstraszającego owady. Innym popularnym rodzajem taksówek jest fototaksja, czyli ruch jest reakcją na bodziec świetlny. Ćmy wykazują dodatnią fototaksję, gdy poruszają się w kierunku źródła światła. Wręcz przeciwnie, karaluchy, które uciekają po włączeniu światła, są negatywnie fototaktyczne. Geotaksja, znana również jako grawitaksa, to ruch w odpowiedzi na grawitację. Poruszanie się w kierunku grawitacji jest geotaksją dodatnią, podczas gdy ruch w przeciwnym kierunku jest geotaksją ujemną. Istnieje wiele innych rodzajów taksówek, w tym aerotaksówki, barotaksja, hydrotaksja i magnetotaksja - które są ruchem w odpowiedzi odpowiednio na tlen, ciśnienie, wodę i pola magnetyczne.

Dlaczego więc naukowcy badają takie zachowania zwierząt? Jednym z celów może być znalezienie genetycznych podstaw dla zachowań wykazywanych przez jednostki lub grupy w obrębie gatunku. Czasami zachowanie można nawet przypisać konkretnej mutacji w pojedynczym genie. W szerszej skali zrozumienie, w jaki sposób genetyka i cechy behawioralne są ze sobą powiązane, może również pomóc nam lepiej zrozumieć zachowania w całym królestwie zwierząt, w tym nasze własne.

W tym laboratorium ocenisz reakcje geotaktyczne, fototaktyczne i chemotaktyczne muszki owocowej Drosophila melanogaster, korzystając z komór do wyboru.