Две команды американских биологов занялись изучением головастиков лягушек и выяснили, что пересаженные на хвост глаза могут отличать красный свет от синего, а также смогли перенаправить развитие пищеварительной системы по альтернативному типу. Таким образом, органы зрения, не связанные напрямую с мозгом, оказывается, все равно способны видеть, а выводы второго исследования могут быть важны для понимания эволюции и профилактики дефектов органов пищеварения.
Хвостовое зрение
Ученые десятилетиями успешно пересаживали лягушкам глаза на всевозможные части тела, но до этого момента они не могли определить, способны ли эти глаза видеть. С целью прояснить этот вопрос ученые из Университета Тафтса (Tufts University) удалили глаза головастикам южноафриканской гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis) и пересадили им новые – на хвост, чтобы посмотреть, как мозг отреагирует на такое нестандартное вмешательство. Результаты исследования были опубликованы в Journal of Experimental Biology.
Несмотря на то, что новое расположение зрительных органов было весьма неожиданным, некоторые головастики успешно различали красный и синий свет, используя только пересаженные глаза. Головастиков поместили в специальные емкости, где половина была освещена синим светом, а другая половина – красным. Если головастик заплывал в красную зону, он получал легкий удар током. Периодически ученые меняли расположение световых зон, чтобы головастики могли понять, что именно цвет освещения, а не положение в емкости влияет на опасность.
Подопытные головастики разделились на две группы. Те, у которых пересаженные глаза с помощью нервных окончаний самостоятельно соединились со спинным мозгом, вполне могли понять связь между светом и электрическим током и уплыть в безопасную часть сосуда. Те же, чьи глаза соединились с пищеварительной системой, не смогли различить разные цвета и поэтому, как и полностью слепые головастики, оказались неспособны избежать удара током.
Более ранние исследования предполагали, что головной мозг может распознавать только ту информацию, которая передается ему непосредственно – через «родные», присоединенные прямо к мозгу глаза. Но теперь выяснилось, что он каким-то образом способен обрабатывать и опосредованные визуальные сигналы, но только в том случае, если нервные окончания соединяют глаза со спинным мозгом, а не какими-либо другими органами.
Поняв, как головной мозг отделяет визуальную информацию от остальных данных, поступающих от спинного мозга в виде множества, казалось бы, неразличимых электрических сигналов, ученые смогут совершить дальнейшие открытия в разделе трансплантационной медицины и глазном протезировании. Кроме того, появится шанс лечить некоторые виды слепоты, возникающей в случае невозможности корректной обработки мозгом визуальной информации, поступающей от физически здорового глаза.
Метаморфозы кишечника
Другая группа исследователей – из Университета штата Северная Каролина (North Carolina State University) – вместе с Xenopus laevis изучала и головастиков лягушек Баджетта (Lepidobatrachus laevis). От общего предка линии этих амфибий отделились примерно 110 млн лет назад, и их диета кардинально различается. Головастики гладкой шпорцевой лягушки питаются преимущественно водорослями, и их длинные пищеварительные тракты не могут переваривать насекомых, протеины, пока не разовьются во взрослых лягушек. Лягушки же Баджетта весьма агрессивные хищники, а их головастики практикуют каннибализм – у них более короткий и сложно устроенный кишечник, способный переваривать белки.
С помощью молекулярных методов ученые инактивировали некоторые гены у головастиков Xenopus, чтобы посмотреть, сможет ли у них развиться «хищная» пищеварительная система. Пять небольших специфических молекул путем подавления активности ретиноидной кислоты (важного регулятора раннего эмбрионального развития) смогли перенаправить развитие пищеварительного тракта, в результате чего кишечник оказался похожим внешне на свойственный головастикам-каннибалам Lepidobatrachus. Интересно, что когда подобные манипуляции произвели с головастиками рогатки Кранвелла (Ceratophrys cranwelli), более близкородственной лягушке Баджетта, то кишечник у них развился еще больше похожим на таковой Lepidobatrachus, чем у гладких шпорцевых лягушек. Кроме того, удалось добиться и обратного эффекта – «вырастить» у головастиков лягушек Баджетта кишечник «травоядного» типа, эволюционно более раннего.
Таким образом, специфические молекулы позволяют повлиять на процессы, играющие важную роль в развитии пищеварительного тракта, и это можно использовать для профилактики врожденных дефектов кишечника. «Понимание того, как и почему кишечник принимает разный внешний вид для адаптации к различным диетам и условиям среды в эволюции, проливает свет на то, в какого рода процессы можно вносить изменения, если говорить о врожденных дефектах у человека, при которых кишечник также меняет свою форму и функции», – говорит Нанетт Наскоун-Йодер, одна из авторов исследования, опубликованного в журнале Evolution & Development. Следующим шагом биологов станет изучение функциональности измененных пищеварительных трактов – являются ли эти изменения чисто косметическими или все же влияют на процесс пищеварения.
