Культура шимпанзе, нервная система сердца и каменно-ледяные гиганты: главные научные открытия июля
Июль принес сразу несколько важных научных сюжетов. Исследователи приблизились к пониманию того, как сердце самостоятельно регулирует свою работу, уточнили состав Урана и Нептуна и получили новые сведения о культурном поведении шимпанзе. Параллельно биологи продолжают решать одну из самых сложных задач современной науки - понять, можно ли создать живую клетку из отдельных неживых компонентов.
У сердца есть собственная нервная система
Сердце принято воспринимать как орган, который работает под контролем головного мозга и автономной нервной системы. Однако у него имеется собственная сеть нервных клеток - внутренняя сердечная нервная система. Она располагается в жировой ткани, окружающей сердце, и включает нейроны, способные обмениваться сигналами как с центральной нервной системой, так и друг с другом.
У человека таких клеток около 40 000, однако они составляют лишь примерно 0,01% сердечной ткани. Именно небольшое количество нейронов долгое время мешало ученым разобраться, какую роль они играют. Теперь исследователи подробно изучили эту систему на мышах, у которых насчитывается около 1000 сердечных нейронов.
С помощью генетических меток ученые определили расположение отдельных клеток и выявили несколько специализированных групп. Одна из них получила обозначение Npy+. Когда эту популяцию активировали, частота сердцебиения снижалась. Если же нейроны разрушали, у животных развивалась сердечная недостаточность, после чего они погибали.
Вероятно, Npy+-нейроны помогают сдерживать чрезмерное учащение пульса и поддерживают стабильный сердечный ритм. Иными словами, они выступают своеобразным внутренним регулятором, который не позволяет сердцу работать на предельной скорости без необходимости.
Другая группа, Ddah1+, сначала поставила ученых в тупик. Ни ее стимуляция, ни удаление не вызывали заметных изменений в обычных условиях. Ситуация изменилась, когда исследователи начали подвергать животных стрессу. Оказалось, что мыши с неработающими Ddah1+-нейронами плохо переносили сильные потрясения: перед смертью у них резко замедлялось сердцебиение, а восстановить нормальный ритм организм уже не мог.
Дополнительные эксперименты показали: активация этих нейронов повышает шансы животного пережить стрессовую нагрузку. Значит, Ddah1+-клетки не столько управляют обычным ритмом, сколько защищают сердце от экстремальных состояний.
Пока нельзя напрямую переносить результаты экспериментов на человека. Тем не менее в сердечных нейронах людей обнаружены гены-маркеры обеих групп. В перспективе это может привести к созданию более точных методов нейромодуляции - лечения, воздействующего не на весь орган сразу, а на конкретные разновидности нервных клеток.
Уран и Нептун могут оказаться каменно-ледяными планетами
Уран и Нептун традиционно называют ледяными гигантами. Однако это название описывает их не совсем точно. Новые модели внутреннего строения показывают, что в глубинах обеих планет может находиться значительная доля горных пород.
Согласно расчетам, мантия Урана и Нептуна состоит из сложной смеси воды, аммиака, метана, силикатов и других тяжелых элементов. Внешние области мантии могут примерно на 60% состоять из каменного материала.
Такой вывод согласуется с наблюдениями за дальними объектами Солнечной системы. Плутон, тела пояса Койпера и кометы оказались не огромными ледяными глыбами, как иногда представляют в популярной культуре. В их составе присутствует много плотной минеральной породы. Кометы также содержат лед, но далеко не полностью состоят из него.
Если небольшие тела, участвовавшие в формировании планет, были каменно-ледяными, логично предположить, что и Уран с Нептуном унаследовали подобный состав. Моделирование указывает на различия между двумя гигантами: внутренние слои Нептуна, вероятно, более богаты камнем, а в мантии Урана может быть больше льда.
Это важно не только для понимания соседних планет. Уран и Нептун служат эталонами при изучении экзопланет сопоставимого размера. Такие миры составляют значительную часть известных планет за пределами Солнечной системы. Возможно, самый распространенный класс планет - это не газовые или ледяные объекты в чистом виде, а тела, где каменная основа окружена слоями воды, аммиака и других летучих веществ.
Почему культура шимпанзе сложнее, чем считалось
Поведение шимпанзе давно привлекает внимание ученых. Разные группы этих обезьян используют палки, камни, листья и другие предметы по-разному: одни раскалывают орехи камнями, другие применяют ветви для добычи насекомых, третьи используют определенные жесты и звуковые сигналы.
Особенно важно то, что такие навыки не всегда объясняются генетикой или особенностями местности. Молодые шимпанзе наблюдают за взрослыми, повторяют их действия и постепенно осваивают принятые в группе приемы. Это напоминает передачу традиций.
Новые исследования показывают, что культурное разнообразие шимпанзе может быть значительно шире, чем считалось ранее. У отдельных популяций обнаруживаются наборы поведенческих особенностей, отсутствующие у соседних групп, хотя животные живут в похожих условиях и генетически близки друг к другу.
Ученые предполагают, что культура у шимпанзе формируется благодаря сочетанию нескольких факторов: способности к обучению, социальному наблюдению, памяти и длительному детству. Молодые особи имеют много времени, чтобы перенимать навыки у взрослых, а жизнь в группе позволяет закреплять удачные модели поведения.
Эти данные важны для понимания происхождения человеческой культуры. Язык, сложные технологии и социальные нормы в человеческом обществе развились до несравнимо более высокого уровня, но некоторые основы - обучение через наблюдение, копирование действий и передача привычек между поколениями - могут быть намного древнее человечества.
Можно ли собрать живую клетку из неживых компонентов
Еще одно направление современной биологии связано с попытками создать искусственную живую систему. Ученые уже умеют синтезировать отдельные участки ДНК, собирать мембраны и воспроизводить некоторые биохимические реакции. Но живая клетка - это не просто набор молекул.
Для полноценного функционирования ей необходимы оболочка, генетический материал, система производства энергии, механизмы считывания информации, обмен веществ и способность поддерживать внутреннее равновесие. Все эти процессы должны быть связаны между собой и работать одновременно.
Главная сложность заключается в том, что жизнь возникает не благодаря одной "волшебной" молекуле, а благодаря взаимодействию множества систем. Мембрана должна отделять клетку от окружающей среды, но при этом пропускать нужные вещества. Геном обязан хранить информацию и участвовать в управлении реакциями. Энергетический обмен должен обеспечивать работу остальных компонентов.
Поэтому современные проекты чаще идут поэтапно. Исследователи создают минимальные клетки, сокращая количество генов до набора, необходимого для выживания и размножения. Другой подход заключается в сборке отдельных клеточных модулей, которые затем объединяют в единую систему.
Создание полностью искусственной клетки позволило бы лучше понять происхождение жизни и механизмы ее работы. Кроме того, такие конструкции могут найти применение в медицине, биотехнологиях и производстве лекарств. Однако пока ученым удается воспроизводить лишь отдельные свойства живых клеток, а не весь комплекс процессов, делающих систему действительно живой.
Общие результаты июльских исследований показывают, насколько тесно связаны разные уровни науки. Нейроны сердца демонстрируют, что даже хорошо изученный орган обладает скрытой автономностью. Уран и Нептун напоминают, что привычные классификации планет приходится пересматривать. А шимпанзе и искусственные клетки помогают заново сформулировать вопрос о том, где проходят границы культуры и самой жизни.
