Біологія
Біологія

2021 рік поглядом nauka.ua. Біологія

У 2021 році біологія поповнилася новими знаннями про розвиток ембріонів, незвичайну поведінку птахів і комах, досягненнями у створенні органоїдів та біороботів, і звісно, ще тисячами відкриттів, про які неможливо розповісти в одному тексті. Ми зібрали важливі й цікаві новини біології з 2021-го, які нам запам'яталися найбільше, і ділимося ними з вами в рамках наших підсумків року.

Weizmann Institute of Science

Weizmann Institute of Science

Не підтвердилася доцільність уникнення дослідів на двотижневих ембріонах

Здавалося б, людський організм за тисячоліття вивчень уже відомий науковцям вздовж і впоперек, але це, звісно, не так. Особливо, коли мова йде про внутрішньоутробний розвиток на найперших етапах. Вчені вміють вирощувати людські ембріони в пробірці, але ще донедавна міжнародні норми забороняли проводити досліди на зародках людини старших за 14 днів. Рішення було обумовлене уявленням (основаним на дослідах на ембріонах тварин), що після цього часу починає формуватися нервова система ембріона, а отже, він може відчувати дискомфорт від маніпуляцій.

Між тим, саме після 14 дня розвитку починається важливий процес гаструляції, під час якого формуються зародкові листки, що дадуть початок системам органів ембріона та позазародковим структурам, наприклад, плаценті. Обійти заборону можна було, досліджуючи абортовані зародки, але лише у надзвичайно рідкісних випадках жінка знає, що вагітна на такому ранньому терміні, й може надати плід на вивчення. Саме такий випадок описали науковці у недавній статті.

Вченим випала нагода дослідити ембріон людини віком 16-19 днів після зачаття, мати якого надала його вченим для вивчення. Він виявився чоловічої статі, з нормальним розвитком, який припадав на період гаструляції. Дослідники розібрали зародок на клітини та проаналізували експресію генів у них. Так вони з'ясували, що у людей кровоносна система може починати формуватися раніше, ніж у мишей. А що стосується нервової системи, то навіть її зачатків не виявили. Це вказує, що побоювання завдати болю ембріону людини на третьому тижні розвитку може бути марним.

Вигляд людського ембріона на стадії гаструляції зверху (зліва) та збоку (справа).Tyser et al. / Nature, 2021

Вигляд людського ембріона на стадії гаструляції зверху (зліва) та збоку (справа).Tyser et al. / Nature, 2021

І створено химерні ембріони з клітин людини та мавпи

Зародки вирощують не лише з метою краще зрозуміти ембріональний розвиток та спадкові хвороби, а й уможливити пересадження органів від тварин людям. Трансплантувати безпосередньо тваринні органи було б зручно, але не надто доцільно, оскільки людський організм їх відторгає. Щоб уникнути цього одні вчені створюють генномодифікованих тварин, чиї органи викликають меншу імунну реакцію при пересадженні, як ми писали про свиней. А інші дослідники намагаються виростити вже химерних тварин, органи яких складатимуться з людських клітин. Вже було вирощено зародки, які поєднували у собі клітини людини та свиней або овець, але частка наших клітин у таких тварин була мізерною для того, щоб із них виросли придатні для трансплантації органи.

Але цьогоріч група вчених із Китаю та США заявила, що їм вдалося створити химерні ембріони, у яких частка людських клітин залишається високою. Вони поєднали стовбурові клітини людини та крабоїдної макаки (Macaca fascicularis), обробивши їх коктейлем хімічних сигналів. Зі 132 утворених із них ембріонів на десятий день вирощування живими були ще 103, які успішно продовжували розвиток. Відтак виживаність стала суттєво падати, і до 20-го дня дожило вже лише троє зародків. Та головне, що протягом усього часу розвитку відсоток людських клітин у них залишався високим. Це дає надію на можливість вирощувати у майбутньому тварин з органами, придатними для трансплантації, що врятує життя мільйонів людей, які не можуть знайти або дочекатися людських донорських органів.

Перший гібридний ембріон з клітин людини та мавпи. Weizhi Ji / Kunming University of Science and Technology

Перший гібридний ембріон з клітин людини та мавпи. Weizhi Ji / Kunming University of Science and Technology

І ще трохи ембріонів: імітація імплантації в матку та вирощування зародка поза маткою

Так, цьогоріч було немало дослідів з ембріонами, які дали науці важливі відкриття. Поділимося з вами ще двома з них, які стосуються вирощування ембріонів у лабораторії. Група європейських вчених досліджувала процес імплантації ембріона людини на стадії бластоцисти в стінку матки, що відбувається приблизно на сьомий день від зачаття. Розуміння цього дуже цінне при розробленні контрацептивів та вдосконаленні допоміжних репродуктивних технологій. Але як і у випадку із вивченням гаструляції, отримати ембріони від жінок майже неможливо через те, що вони не знають про свою вагітність, а крім цього зімітувати імплантацію в матку в лабораторії реалістично не вдавалося. А тепер вдалося.

Дослідники вирішили одразу два питання. Вони розробили технологію вирощування схожих на людські ембріони на стадії бластоцисти клітинні моделі — бластоїди. Їх можна вирощувати із клітин справжніх людських зародків, наприклад, що залишилися після екстракорпорального запліднення, або стовбурових клітин дорослих людей. Це усуває проблему з нестачею ембріонів для дослідів. А імплантацію бластоцист у матку зімітували, підсадивши бластоїдів до органоїдів ендометрію — вирощених в лабораторії скупчень клітин, які нагадують тканину слизової оболонки матки, у яку вбудовується ембріон при імплантації. Моделі ембріонів успішно прикріпилися до «штучної матки», подібно до того, як процес відбувається в організмі.

Водночас інші науковці отримали обнадійливі результати, які вказують, що й поза маткою можна подовжити життя ембріонів. Поки що зародки без імплантації живуть лише кілька днів (особливо тварин, у яких розвиток відбувається швидше, ніж у людей), оскільки зростаючи їм починає бракувати поживних речовин, які вони отримують із середовища вирощування. Вивчаючи семиденні мишачі ембріони, ізраїльські вчені помістили їх у колби зі сталими показниками концентрації та тиску газів, які постійно перебували в русі та перемішували поживну рідину. Так зародки рівномірно омивалися поживним середовищем протягом чотирьох днів, під час яких досягли стадії, коли в них сформувалися зачатки органів, зокрема функціональне серце, та кінцівок. Здається, що кілька днів поза маткою це все ще мало, але ті мишки провели насправді третину внутрішньоутробного розвитку (він у них складає 20 діб) у пробірці.

Мишачий ембріон на 11 дні розвитку, який розвинув у пробірці зачатки кінцівок. Weizmann Institute of Science

Мишачий ембріон на 11 дні розвитку, який розвинув у пробірці зачатки кінцівок. Weizmann Institute of Science

Під антарктичним льодовиком вперше знайшли угруповання тварин

Антарктида — не найсприятливіше місце для процвітання життя, тим паче, якщо говорити про льодовики та те, що під ними. Товщина шельфових льодовиків може сягати сотень метрів, але під ними все ще може бути товща води. Через величезну масу криги туди не проходить сонячне світло, тому там не виживають здатні до фотосинтезу мікроорганізми, які забезпечують органічними речовинами інших істот, проте навіть до таких умов життя вміє пристосуватися.

Група дослідників вперше виявила на морському дні, яке ховається під 900 метрами криги шельфового льодовика Ронне-Фільхнера, угруповання сидячих тварин. Вчені визначили серед них 16 губок та 22 ще не визначених організми. Вони живуть у цілковитій пітьмі за температури близько -2 градуси за Цельсієм, а найближче місце, де можуть вижити фотосинтезуючі організми, розташоване аж за 260 кілометрів. Звідки отримують виявлені тварини поживу, поки що незрозуміло. Але вчені припускають, що вона може заноситися течіями з віддалених місць або ж вироблятися на місці завдяки хемосинтезу. Схожої думки про спосіб виживання підльодовикових організмів дотримується й інша група науковців, яка виявила під льодовиком Екстрьом аж 77 видів тварин, які так само знаходяться за кілометри від придатної до фотосинтезу води.

Угруповання організмів під льодовиком Екстрьом. Barnes et al. / Current Biology, 2021

Угруповання організмів під льодовиком Екстрьом. Barnes et al. / Current Biology, 2021

Самки каліфорнійських кондорів розмножилися без самців

Для статевого розмноження не обов'язкова участь у процесі двох осіб та ще й різних статей. Самки чудово можуть впоратися й самі. При партеногенезі — особливій формі статевого розмноження — жіноча особина дає потомство без запліднення її яйцеклітин чоловічою особиною. Явище досить поширене в природі, і зрідка зустрічається навіть серед птахів. Але свідчення дотепер стосувалися домашніх курей та індичок, які виводили пташенят при їх утриманні без самців, а також утримуваних в неволі з розділенням за статтю голубів і зебрових діамантників (Taeniopygia guttata).

Американські природоохоронці при аналізі геному майже тисячі особин рідкісних каліфорнійських кондорів (Gymnogyps californianus) помітили, що ДНК двох птахів не збігається із ДНК жодного іншого самця, що міг би бути їхнім батьком. Натомість їхній геном подібний до материнського настільки, що найбільш явним поясненням є партеногенез. Що цікаво, самки, які розмножилися партеногенетично, на відміну від утримуваних у неволі птахів, не були обмежені в доступі до самців і раніше вже породжували з ними спільне потомство.

Морські слимаки втратили голову (радше тіло)

Багато тварин демонструють здатність до автотомії — контрольованого відкидання частини власного тіла. Найбільш відомим прикладом є ящірки, які у разі їх схоплення можуть відкинути свій хвіст, намагаючись втекти. Зазвичай у таких тварин втрачені частини можуть відрости заново. Але морські слимаки Elysia marginata виявилися ще більшими екстремалами — вони можуть відкидати усе своє тіло, а потім відрощувати нове із голови.

Взагалі японські вчені досліджували морських молюсків через їхню здатність до фотосинтезу, але дослідження набуло зовсім іншого змісту, коли один зі слимаків від'єднав своє тіло від голови. Обидві частини тіла почали повзати по акваріуму окремо, і всупереч очікуванням швидкої смерті через нестачу важливих органів в обох із них, цього не ставалося. Через кілька годин після автотомії голова вже почала, як звичайно, живитися водоростями, а кілька тижнів потому виростила собі нове тіло. Між тим, старе продовжувало повзати ще кілька місяців, маючи робоче серце, поки не стало розкладатися. Відтак подібну здатність виявили ще у кількох зловлених у природі слимаків. Чому автотомія набула такої радикальної форми, поки що незрозуміло, але можливо, що річ у рятуванні від паразитів.

Біороботів навчили відтворювати себе

Вже декілька років команда науковців працює над створенням біороботів із жаб'ячих клітин — ксеноботів — які зможуть переносити або збирати певний вантаж. І доволі успішно, варто сказати. Спочатку вчені помітили, що можна побудувати крихітні згустки клітин, які рухатимуться за бажаною траєкторією, якщо скласти їх з клітин м'язів та шкіри земноводного відповідним чином. Кожного з них збирати вручну, вочевидь, було непросто, тому надалі дослідники знайшли спосіб змусити стовбурові клітини самими складатися у ксеноботів. Ті утворювали згусток клітин, у якого згодом з'являвся війчастий епітелій, завдяки чому він досить швидко пересувався по чашці Петрі.

А у новій роботі вчені показали, що жаб'ячі біороботи навіть можуть самовідтворюватися, збираючи собі подібних. Комп'ютерний алгоритм вказав, що якщо надати одному ксеноботу форму Пекмена та помістити його в чашку Петрі, густо засипану стовбуровими клітинами, то при русі по посудині «Пекмен» збиратиме своїм «ротом» стовбурові клітини й ущільнюватиме їх у сфери, які стануть новими ксеноботами. Науковці зазначили, що жоден інший живий організм не здатний розмножуватися схожим чином (але це поширений шлях самовідтворення на молекулярному рівні).

Отримано найчіткіше зображення живої грамнегативної бактерії

Грамнегативні бактерії характеризуються наявністю додаткової захисної оболонки, яка перешкоджає потраплянню всередину клітини багатьох речовин. Це основна причина, чому на ці бактерії антибіотики діють гірше, ніж на грампозитивні. Та все ж багато аспектів будови зовнішньої мембрани бактерій нерозкриті, а разом із цим — способи обходу захисту антибактеріальними препаратами.

Та завдяки сучасній технології атомно-силової мікроскопії вдалося розглянути поверхню грамнегативної бактерії із безпрецендентною чіткістю. Вивчаючи живу кишкову паличку (Escherichia coli) в наномасштабі, вчені побачили, що білки її зовнішньої оболонки формують щільну пористу мережу, у яку вкраплені рідкі ліпополісахариди.

Кишкову паличку ще не бачили так чітко. Georgina Benn et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Кишкову паличку ще не бачили так чітко. Georgina Benn et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Нарешті тисячоніжки виправдали свою назву

Двопарноногі багатоніжки здавна називають і тисячоніжками. Очевидно, назва утворилася для позначення значної кількості ніг у цих тварин, але ніхто не бачив багатоніжку із хоча б тисячею ніг. Донедавна рекордсменкою була Illacme plenipes, в однієї з яких нарахували аж 750 ніг. Але нещодавно багатоніжки нарешті довели, що достойні називатися тисячоніжками: біологи знайшли в Австралії особину дотепер невідомого виду, що населяє глибини підземелля, у якої виявилося 1 306 ніг. Але не варто боятися. Всупереч своїй винятковій видовженості, «справжня тисячоніжка Персефона» (Eumillipes persephone — таку латинську назву їй дали першовідкривачі) у довжину не перевищує 10 сантиметрів, а в ширину — 1 міліметра.

Лишень погляньте на ці ніжки Eumillipes persephone. Paul E. Marek et al. / Scientific Reports, 2021

Лишень погляньте на ці ніжки Eumillipes persephone. Paul E. Marek et al. / Scientific Reports, 2021

Мозкові органоїди обзавелися зачатками очей

Органоїди — це спрощені мініатюрні версії справжніх органів, які слугують моделями для вивчення роботи відповідних їм органів та випробування хімічних препаратів. Їх вирощують зі стовбурових клітин таким чином, щоб вони відбивали структуру якогось органу, але вони все ще позбавлені багатьох елементів, наприклад, типів клітин. Це стосується і мозкових органоїдів, які є скупченням нервових клітин, що обмежує їх використання для дослідження низки захворювань. Так, вони непридатні для вивчення того, як взаємодіє нервова й зорова система, а також як розвиваються деякі неврологічні порушення зору.

Цьогоріч науковці розповіли, що можуть створити й такі органоїди, які одночасно є моделями центральної нервової та зорової системи. При вирощуванні мозкових органоїдів вони додали до поживного середовища клітин вітамін А. Завдяки цьому сфера із мозкових клітин обзавелася двома пігментованими структурами — очними келихами, які за нормального ембріонального розвитку дають початок сітківці очей. А головне, що ці зорові структури реагували на світло різної інтенсивності й передавали сигнали про це «мозку».

Можливо, виглядає не надто задоволеним, але цей органоїд мозку має зачатки зорової системи. Elke Gabriel et al. / Cell Stem Cell, 2021

Можливо, виглядає не надто задоволеним, але цей органоїд мозку має зачатки зорової системи. Elke Gabriel et al. / Cell Stem Cell, 2021

Какаду виявилися недооціненими птахами

Багатьом птахи здаються не надто кмітливими, але какаду, схоже, взялися цей стереотип розвіяти. У 2021 році вийшли дві наукові статті, які змушують подивитися на птахів під іншим кутом.

Німецькі вчені описали, як жовточубі какаду (Cacatua galerita) в трьох передмістях Сіднея навчилися відкривати сміттєві баки, у яких можна знайти багато смаколиків (судячи з явного потягу птахів до смітників). Порпаючись у смітті, птахи роблять чималий безлад, тому місцеві жителі почали прикладати на кришки смітників цегли та інші важкі предмети, що звісно, не завадило какаду діставатися поживи. Птахи розробили цілий алгоритм дій, який включав позбування перешкоди та технологію відкидання кришки. Що не менш дивовижно, із часом уміння поширювалося в популяціях какаду, і за кілька років охопило вже 44 австралійські райони. При цьому в різних локаціях алгоритм дещо відрізнявся. Поширення набутих знань є характерною рисою культури, тому місцеві варіації у відкриванні смітника можна вважати свого роду субкультурами, розмірковують вчені.

У порівнянні з жовточубими, танімбарські какаду (Cacatua goffiniana) здаються справжніми аристократичними гурманами: вони не опустилися до копирсання у смітті, а натомість створюють для трапези своє столове приладдя. Вже й раніше біологи знали, що ці птахи виготовляють інструменти, але лише зараз описали всю складність процесу. Диких танімбарських какаду помітили за виготовленням набору з трьох типів дерев'яних інструментів для поїдання плодів дерева церебри мангас. З допомогою них птахи розкривали щільну оболонку плода, зрізали його шкірку та виколупували з нього поживні насінини. Це вміння теж виявилося не вродженим, а скоріше проявом інновативності, оскільки далеко не всі танімбарські какаду, за якими спостерігали, проявили його.

Водолюбів застали за пересуванням потойбіччям

Деякі тварини мають незвичайну здатність пересуватися потойбіччям і в цьому немає нічого містичного, якщо не вважати такою фізику. Поверхневий натяг води дає змогу організмам пересуватися по воді, наче сушею, якщо вони зможуть рівномірно розподілити вагу свого тіла. Найвідомішими з них водомірки, але вони пересуваються верхньою стороною водної плівки, яка на межі з повітрям, а проте є тварини, що обрали пересування протилежним боком — нижньою її стороною, яка у воді. Таке нерідко помічали за водними равликами, і це основний спосіб локомоції морських молюсків, що звуться блакитним драконом (Glaucus atlanticus). Подейкували, що деякі жуки теж так вміють, і науковцю Джону Гульду пощастило стали свідком цього дійства.

Здається, жучку цілком комфортно з іншого боку поверхневої плівки. Science News / YouTube

Здається, жучку цілком комфортно з іншого боку поверхневої плівки. Science News / YouTube

Вчений спершу подумав, що бачить чорного жучка, який впав у калюжу й плаває на її поверхні, намагаючись вибратися, перш ніж потоне. Придивившись, він зрозумів, що жук перевернутий вниз спиною і насправді знаходиться з нижнього боку поверхневої плівки. При цьому комаха пересувалася у воді легко, наче поверхнею, й не тонула. Ймовірно, завдяки бульбашці повітря, яка кріпилася до його черевця. Як жукові вдається пересуватися потойбіччям поверхневої плівки — достеменно не ясно. Так само поки що залишається незрозумілим, до якого виду належить жук. Вчені лише встановили, що він є представником родини водолюбів (Hydrophilidae).