Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Gdy w 2003 r. wahadłowiec Columbia spłonął w atmosferze, cała siedmioosobowa załoga zginęła. Katastrofę przeżyli jednak pasażerowie: kolonia milimetrowej długości nicieni C. elegans, które w naturalnym środowisku spotkać można zarówno w wodzie, jak i na lądzie, a nawet na głębokości 3 kilometrów pod ziemią. Były częścią badań dotyczących wpływu warunków mikrograwitacji na ekspresję genów. A od lat 60. są modelowym organizmem w laboratoriach biologów.
Rozmiar ma znaczenie
Układ nerwowy C. elegans jest ok. 300 milionów razy mniejszy od naszego mózgu. Tworzą go dokładnie 302 komórki nerwowe. To jednak niemal jedna trzecia złożonego z 959 komórek zwierzęcia (u hermafrodytów, bo znacznie rzadziej występujące samce składają się z 1031 komórek). Dobrze znamy genom C. elegans, jak i jego konektom – kompletną mapę połączeń między neuronami; schemat przypominający coś, na co spogląda elektryk, gdy wykonuje remont instalacji.
C. elegans to jak na razie jedyny organizm, którego konektom naukowcy rozpracowali. Pomimo usilnych starań takich inicjatyw jak Blue Brain Project czy Human Brain Project, których uczestnicy próbują stworzyć mapę połączeń w, odpowiednio, mysim i ludzkim mózgu, cel ten ciągle jest bardzo odległy. Neurobiologia wiąże wielkie nadzieje z konektomem, ponieważ to właśnie ze wzorców aktywności różnych sieci komórek nerwowych mają się wyłaniać zwierzęce (w tym: ludzkie) umysły.
Przygoda z nicieniem okazała się trudniejsza, niż się pierwotnie wydawało. Złożyły się na to m.in. ograniczenia technologiczne – neurofizjolodzy musieli dostać się do wnętrza nicienia, nie niszcząc jego delikatnego oskórka. Jest to o tyle ważne, że nicienie posiadają „szkielet” odmienny od naszego. U nas najważniejszym jego składnikiem są kości stanowiące rusztowanie dla ciała. Nicienie takich struktur nie posiadają. Ich wnętrze wypełnia płyn pod ciśnieniem, napierający na ściany ciała. Wyobraźmy sobie, co się stanie, jeśli balon napełniony wodą przekłujemy igłą. Podobnie może wyglądać przebijanie oskórka C. elegans. Na domiar złego rozmiary jego komórek utrudniają zaglądanie do ich wnętrza, by badać aktywność elektryczną (wyróżniającą właściwość neuronów). Badacze musieli nauczyć się wprowadzać elektrody do ciał komórek wielkości 2 mikrometrów (milionowych części metra). Przeciętne ciało komórki nerwowej człowieka jest sto razy większe.
Repertuar zachowań małego stworzenia również zaskoczył badaczy. Pamięć? Wiązanie ze sobą wydarzeń o różnym znaczeniu? Nawigacja w przestrzeni? Przypisalibyśmy je istotom o większym i bardziej skomplikowanym układzie nerwowym, którego funkcjonowanie nie sprowadza się do aktywności kilkuset rozproszonych po całym ciele neuronów.
Ciepło, cieplej, gorąco
Organizmy muszą kontrolować ciepłotę swojego ciała, aby utrzymać funkcje życiowe. Zwierzęta stałocieplne posiadają wewnętrzne mechanizmy, które pozwalają im podtrzymać temperaturę ciała (jak dreszcze czy rozszerzanie naczyń krwionośnych). Jako że brak ich u zmiennocieplnych, gady, robaki obłe (nicienie) czy owady szukają miejsc, w którym mogą się skryć przed chłodem lub wygrzać w słońcu. Muszą polegać na zachowaniu, aby zapewnić sobie optymalne warunki.
Nie inaczej jest w przypadku C. elegans. Doświadcza on wahań temperatury w zależności od głębokości w podłożu, pory dnia czy sezonu. Brak prawidłowej kontroli nad środowiskiem wewnętrznym może mieć negatywny wpływ na jego wzrost, długość życia i sukces reprodukcyjny. Nicienie są wprawdzie pogodowymi oportunistami – mają dosyć szeroki zakres lubianych temperatur – ale optymalna (taka, do której przystosował się w toku ewolucji) jest jednak niezbędna, aby procesy fizjologiczne w jego ciele mogły zachodzić efektywnie.
Jak badać zachowanie nicienia w odpowiedzi na zmiany temperatury? Trudno obserwować milimetrowy obiekt w warstwie ziemi, ale jego świat można zrekonstruować w laboratorium i wystawić nicienia na zmianę (gradient) temperatury podłoża na szalce z żelem.
W takich warunkach nicień będzie wykazywał termotaksję, czyli ruch do bodźca (termotaksja dodatnia) lub z dala od bodźca (termotaksja ujemna). Będzie poruszał się po podłożu w różny sposób, zależny od kilku czynników. Jeśli wcześniej hodowano go w temperaturze 20 stopni Celsjusza, a na nowym podłożu jego temperaturą startową było 15 stopni, to nicień zacznie poruszać się wzdłuż gradientu temperatury, aż dotrze do cieplejszego miejsca. Wtedy jego zachowanie się zmienia i zamiast dalej podążać za zmieniającą się temperaturą, wędruje po paskach pożywki o temperaturze, w której wcześniej był hodowany. Zwierzę takie właśnie warunki skojarzyło ze środowiskiem, które dostarczało mu niezbędnego pokarmu (C. elegans w laboratorium żywi się bakteriami E. coli). Gdyby rozpoczynał swoją wędrówkę z miejsca cieplejszego niż temperatura hodowania, wówczas podążyłby w stronę chłodniejszego, również pozytywnie kojarzonego, regionu.
Jeśli jednak przed eksperymentem nicień będzie żył bez pożywienia przez kilka godzin, to nie wykaże on żadnych skłonności do podążania za wcześniej poznaną temperaturą. Wydaje się więc, że C. elegans „pamięta”, iż wcześniejsze warunki życia były pozytywne lub nie.
Centrum przetwarzania
Aby móc nawigować w przestrzeni odpowiednio do gradientu temperatury, C. elegans potrzebuje mechanizmów, które pozwolą na odbieranie bodźców cieplnych; na określenie, czy odczuwana temperatura jest wyższa czy niższa od wcześniejszej (robi to zresztą z ogromną dokładnością, rzędu 0,05 stopni); na zdecydowanie, czy podążać w stronę tej temperatury, czy jednak pozostać przy obecnej; w końcu na rozpoczęcie ruchu w danym kierunku. Co zaskakujące, główną rolę w kontroli wszystkich tych procesów związanych z przetwarzaniem informacji o temperaturze otoczenia odgrywają u nicieni pojedyncze neurony o nazwie AFD.
Neuron AFD znajduje się w przedniej części ciała („głowie”), ale jego dendryty, czyli wypustki zbierające sygnały z otoczenia, sięgają aż do jej czubka („nosa”). Jeśli uszkodzimy ten neuron, np. przez odpowiednią manipulację genetyczną lub po prostu wypalając komórkę wiązką laserową, nicień nie będzie wykazywał opisanych zachowań lub przynajmniej będą one mocno upośledzone.
To dowodzi, że AFD jest niezbędnym składnikiem całego układu termoregulacyjnego, ale nie mówi nam nic o tym, jak cały ten układ zachowuje się w normalnych warunkach. Naukowcom udało się jednak pokonać niektóre technologiczne trudności i dzisiaj potrafimy badać aktywność pojedynczej komórki nawet u nicienia, na przykład mierząc, jak zmienia się stężenie wapnia w AFD (im bardziej komórka aktywna, tym więcej wapnia napływa do jej wnętrza). W ten sposób zaobserwowano silną zależność pomiędzy zmianami w stężeniu wapnia a fluktuacjami temperatury w otoczeniu. Na dodatek pod względem generowania takiego sygnału AFD wydaje się być samowystarczalny – jeśli hodować go osobno, w warunkach in vitro, i również poddać zmiennym warunkom temperatury, to wykazuje podobną aktywność. Może to oznaczać, że sam odbiera sygnały o fluktuacjach cieplnych i przetwarza je bez udziału innych komórek.
To byłoby jednak zbyt proste. Wciąż jest wiele zachowań, których nie można wyjaśnić samym odbiorem sygnału cieplnego przez AFD. Przykładowo, AFD nie może sam regulować ruchów nicienia w termotaksjach, wpływając na jego poruszanie się. Jego aktywność w odpowiedzi na zmiany temperatury jest taka sama bez względu na to, czy nicień był wcześniej hodowany na szalce z pożywieniem, czy głodzony przez kilka godzin. Gdzie indziej, lub też z pomocą dodatkowych komórek, muszą być łączone sygnały o temperaturze i tym, jakie „wspomnienia” ma z nią nicień.
Dlatego oprócz AFD naukowcy wskazali kilka innych neuronów, które odbierają sygnały chemiczne (czyli zapach, informujący o obecności pożywienia lub szkodliwych substancji) lub mogą łączyć sygnały z różnych receptorów. Droga od AFD do układu odpowiadającego za ruch wiedzie przez dodatkowe przystanki na innych neuronach.
Policjant na skrzyżowaniu
Do tej pory skupialiśmy się na jednym zachowaniu – termotaksji – i na jednym neuronie, AFD. Ale w milimetrowym ciele dzieje się o wiele więcej. Aby móc decydować, czy iść w stronę rosnących temperatur, czy też w kierunku przeciwnym, potrzebny jest punkt odniesienia – to, czy wyższa temperatura kojarzy się pozytywnie, czy negatywnie. Taką informację mogą zapewnić receptory wyczuwające w otoczeniu różne substancje chemiczne. Okazuje się, że i tutaj można wyróżnić pojedyncze neurony, które przesyłają sygnał o danym związku chemicznym dalej. Gdzieś na tym sygnałowym szlaku ta informacja może być skojarzona z inną informacją, powiedzmy, o temperaturze. Na przykład neurony ASE wyczuwają stężenia chlorku sodu (zwykłej soli kuchennej), a nawet mogą „pamiętać” o tym, w jakim stężeniu soli nicień żył wcześniej. Komórkom, które odbierają sygnały od tego neuronu, pozwala to następnie podjąć decyzję, w którą stronę nicień powinien się skierować. Jednym z typów neuronów, które są pobudzane przez ASE, jest AWC, który z kolei może modyfikować aktywność znanego nam termoregulatora – neuronu AFD.
Poza receptorami temperatury czy związków chemicznych, nicienie posiadają system rejestrowania zmian mechanicznych. Jeśli wyczują nacisk, potrafią odruchowo się odsunąć. Mają również zmysł propriocepcji, czyli czucia własnego ciała, który umożliwia im dostosowanie wykonywanych przez nie rytmicznych ruchów do tego, co się dzieje w otoczeniu. Takie receptory regulują działanie całych grup neuronów wpływających z kolei na komórki mięśniowe, kurczące się w odpowiedni sposób. Jeszcze inny neuron działa niczym policjant na skrzyżowaniu – określa szybkość poruszania się ciała oraz to, czy nicień powinien zawrócić. Czyni to, wysyłając sygnały do różnych zestawów komórek, które zmieniają sposób lokomocji nicienia.
Wiele jeszcze można by napisać o zaangażowaniu pojedynczych neuronów w różne funkcje fizjologiczne nicienia. Najważniejszym wnioskiem z całej tej opowieści jest jednak to, że 302 neurony C. elegans tworzą skomplikowaną sieć, w której różne sygnały mogą wpływać na rozmaite funkcje organizmu. I choć poznaliśmy sporą część fizjologii nicienia, wciąż wiele pozostaje do odkrycia. A nawet gdybyśmy uznali, że na poziomie samych neuronów i wzorców ich połączeń rozumiemy już wszystko, to zawsze można zejść głębiej: zapytać, co się dzieje wewnątrz każdej z tych komórek. Żeby to zrobić, będziemy jednak potrzebowali nowych narzędzi, nowych pomysłów i nowych pokładów wyobraźni.
Zderzenie światów
Warto wspomnieć o jeszcze jednej trudności, przed którą stają badacze rozpracowujący układy nerwowe innych zwierząt. Otóż czynniki, które z naszej perspektywy wydają się być ważne w życiu nicienia, skowronka czy ośmiornicy, wcale nie muszą wyczerpywać wszystkich możliwych potrzeb tych organizmów. Na początku XX w. Jakob von Uexküll ukuł pojęcie Umwelt (niem. świat), mające oznaczać subiektywny świat zwierzęcia. Co ważne, Umwelten mogą się różnić, nawet jeśli zwierzęta zamieszkują to samo środowisko. Jak odnieść to do sytuacji, w której człowiek stara się zrozumieć Umwelt nicienia, a środowiska obu tych organizmów są od siebie tak niezmiernie odmienne? Przecież drzewo czy kawałek gleby nie jest dla człowieka tym samym, co dla nicienia. Alex Gomez-Marin określił to mianem clash of Umwelts – konfliktem dwóch subiektywnych uniwersów.
Badając inne organizmy powinniśmy pamiętać o tym, że nasze oczekiwania nie muszą być oczekiwaniami zwierzęcia, a nasza wiedza o świecie – ich wiedzą o świecie. Milimetrowy umysł tworzy swoją własną rzeczywistość, karmiąc się bodźcami, o których nasz umysł może nawet nie pomyśleć. ©
Modelowy przypadek
Wiele fundamentalnych procesów fizjologicznych zwierząt wyewoluowało bardzo dawno temu i są one wspólne dla większości gatunków. Stąd poszukiwania gatunków modelowych – takich, które łatwo badać, a wnioski rozszerzać na większe grupy organizmów. C. elegans świetnie się do tej roli nadaje, bo jest mały, przezroczysty i szybko się rozmnaża.
Za badania przeprowadzane na tym nicieniu przyznano kilka Nobli: np. w 2002 r. za odkrycie mechanizmów śmierci komórkowej (co ma spore znaczenie choćby w onkologii, jako że komórki nowotworowe to właśnie te, co uparcie nie chcą umierać), w 2006 r. za odkrycie interferencji RNA (która budzi wielkie nadzieje jako forma terapii genetycznej), a w 2008 r. za odkrycie „świecącego na żądanie” białka GFP (które jest dziś tak powszechnym narzędziem w biotechnologii jak piła w stolarstwie). Warto dodać, że pierwszym zwierzęciem, którego genom wybrano do pełnego „spisania”, był właśnie Caenorhabditis elegans. Jako dowód wdzięczności polecam próbę odczytania jego pełnego „imienia i nazwiska” na głos. ©(P) ŁL
