Поведение животных

Дрозофила как модельный организм

Обыкновенная плодовая муха, Drosophila melanogaster, является широко используемым модельным организмом в биологии, хотя чаще ее можно признать вредителем, любящим фрукты. Существует множество причин, которые делают D. melanogaster превосходным экспериментальным организмом: их примерно двухнедельное время генерации позволяет изучать несколько поколений, они легко содержатся в очень маленьких пробирках, а их половой диморфизм позволяет исследователям легко различать самцов с черной окраской в задней части и самок с полосатым брюшком.

Томас Хант Морган и его студенты были одними из первых, кто начал использовать дрозофилу в начале^20-го века. В 1933 году Морган получил Нобелевскую премию за открытие роли хромосом в наследственности, которое было основано на его наблюдениях за мутантной дрозофилой. Морган продолжил свои исследования, создавая новых мутантов с помощью радиации. Наличие множественных мутантов с дискретными эффектами на внешний вид мухи позволило ему изучить закономерности многофакторного наследования. Ключевым аспектом его ранних работ было обнаружение очевидных нарушений второго закона Менделя, который гласит, что гены сегрегируются независимо друг от друга. Наблюдения Моргана показали, что гены не будут разделяться независимо, если они соединены друг с другом на одной хромосоме. Кроме того, стало возможным определить расположение генов на хромосоме относительно друг друга с помощью анализа того, как часто они рекомбинируются, что привело к исследованиям по картированию генов для определения местоположения гена и расстояний между генами. В результате сотрудники лаборатории Моргана получили две дополнительные Нобелевские премии за другие исследования генетики дрозофилы. Успех Моргана и накопленная информация о дрозофилах вдохновили других на использование их в качестве экспериментальных организмов, что расширило наши знания о них и постепенно повысило их ценность в качестве модельного организма. У других ученых развилось множество мутаций. Более 27 000 уникальных линий дрозофил в настоящее время поддерживаются в качестве стоковых культур в фондовых центрах дрозофилы и легко доступны лабораториям, которые используют их в качестве инструментов для изучения различных аспектов биологии, включая поведение.

Этология дрозофил

Поведение животных, или этология, изучает, как животные взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Несмотря на то, что этология является относительно молодой биологической областью, она имеет важное значение, поскольку выживание организма зависит от того, как он ведет себя по отношению к возможным партнерам, источникам пищи и естественным препятствиям. Изучение этих организмов помогает ученым понять контекст этого поведения и лежащие в его основе механизмы эволюции. Таким образом, целью изучения поведения животных является поиск генетической основы для поведения, проявляемого отдельными особями или группами индивидуумов. Например, родственный отбор, впервые предложенный Уильямом Гамильтоном, предполагает, что индивидуумы будут вести себя альтруистично, принося жертву за члена семьи, а не за^{незнакомца.} Это связано с тем, что родственные особи имеют больше общих генов, чем неродственные, и будущее размножение их родственников в некотором роде способствует их собственной приспособленности или репродуктивному успеху. Следовательно, наблюдение за тем, как организмы, подобные дрозофиле, взаимодействуют с окружающей средой, может позволить нам понять, как это поведение жестко запрограммировано. Кроме того, такое поведение дает представление о том, как эти организмы адаптировались к тому, чтобы справляться с окружающей средой и выживать.

Направленное поведение обычно изучается, чтобы понять, как и почему организм перемещается в окружающей среде. Кинезис и таксис — это две формы направленного поведения. Кинезис включает в себя вызванные стимулами движения в случайных направлениях, такие как случайное движение мух при прогоне. С другой стороны, такси включает в себя вызванное стимулом движение в определенном направлении, например, мотки, летящие к лампочке. Поведение таксиса является положительным, если животное движется к стимулу, и отрицательным, если животное удаляется от стимула. Кроме того, поведение такси называется в зависимости от конкретного стимула, который его вызывает. Например, геотаксис — это реакция на гравитацию, где положительный геотаксис означает, что организм движется под действием силы тяжести. Фототаксис – это движение в ответ на свет, например, позитивный фототаксис бабочек по направлению к лампочке. Аналогичным образом, хемотаксис — это притяжение или избегание переносимых по воздуху химических сигналов, таких как отрицательный хемотаксис многих хищников, включая людей, в ответ на запах спрея скунса. Кроме того, существует множество других типов налогов, которые изучаются учеными, включая аэротаксис, баротаксис, гидротаксис и магнитотаксис, которые представляют собой движения в ответ на кислород, давление, воду и магнитные поля соответственно.

Изучение поведения дрозофилы таксис

Распространенным и простым методом изучения поведения дрозофилы является использование камеры выбора, которая позволяет наблюдать направленную реакцию мухи на определенный стимул, такой как гравитация, свет или химическое вещество. Дрозофилы помещаются в центр камеры выбора, а затем им позволяют свободно бродить по камере, которая спроектирована таким образом, что альтернативные стимулы могут быть представлены на противоположных сторонах. После периода блуждания количество мух подсчитывается по обе стороны от камеры выбора. Количество мух с каждой стороны камеры затем анализируется с помощью теста хи-квадрат, чтобы оценить, есть ли предпочтение стимулу.

Сравнение направленного поведения мутантной и дикой дрозофилы позволяет исследователям определить роль мутировавшего гена в этом конкретном поведении. Более того, ученые также пытаются понять, как животные решают, что делать при наличии комбинаций стимулов, в том числе конфликтующих^{стимулов.} Вместе эти исследования могут помочь предсказать, как организмы будут реагировать на определенные стимулы или изменения факторов окружающей среды.

Ссылки

1. Кук К.Р., Паркс А.Л., Якобус Л.М., Кауфман Т.С., Мэтьюз К. Новые исследовательские ресурсы в Блумингтонском центре акций дрозофил. муха. 2010, Том 4, 1: 88-91.
2. ВД, Гамильтон. Альтруизм и связанные с ним явления, в основном у общественных насекомых. Энн Рев, Экол Систематика. 1972, Том 3, 193-202.
3. Гепнер Р., Сканата М.М., Бернат Н.М., Каплоу М., Гершоу М. Вычисления, лежащие в основе фототакси дрозофилы, обонятельных такси и мультисенсорной интеграции. Электронная жизнь. 2015, Том 4, e06229.

Вы когда-нибудь оставляли вазу с фруктами на некоторое время и возвращались, чтобы открыть для себя поселение плодовых мух? Но почему плодовую муху в первую очередь привлекают спелые фрукты? Другими словами, какой стимул говорит им, куда идти? Этот анализ является частью более широкой области под названием этология, которая изучает поведение животных.

Стимул может вызвать два типа движения животного. Кинезис, который является ненаправленным или случайным, или таксис, который является направленным. Примером кинезиса может быть движение мух в случайных направлениях при прогоне. И наоборот, примером такси может быть направленное движение мух обратно к спелым плодам. Этот конкретный тип таксиса называется хемотаксисом, и поскольку он направлен на стимулятор, пищу, он в дальнейшем определяется как положительный хемотаксис. Примером отрицательного хемотаксиса может быть удаление мухи от репеллента от насекомых. Еще одним распространенным типом такси является фототаксис, который представляет собой реакцию движения на световой раздражитель. Бабочки демонстрируют положительные фототаксисы, когда они движутся к источнику света. Напротив, тараканы, которые убегают при включении света, являются негативными фототактиками. Геотаксис, также известный как гравитаксис, — это движение в ответ на гравитацию. Движение в направлении силы тяжести является положительным геотаксисом, в то время как движение в обратном направлении является отрицательным геотаксисом. Существует множество других типов такси, включая аэротаксис, баротаксис, гидротаксис и магнитотаксис - которые представляют собой движение в ответ на кислород, давление, воду и магнитные поля соответственно.

Так почему же ученые изучают поведение животных таким образом? Одной из целей может быть поиск генетической основы для поведения, демонстрируемого индивидуумами или группами внутри вида. Иногда поведение можно даже проследить до конкретной мутации в одном гене. В более широком масштабе понимание того, как связаны генетика и поведенческие черты, также может помочь нам лучше понять поведение животных животных, включая наше собственное.

В этой лаборатории вы оцените геотаксические, фототактические и хемотаксические реакции плодовой мушки Drosophila melanogaster, используя камеры выбора.