Ученые обнаружили, что личинки плодовой мушки могут ощущать электрические поля

Хотя для человека это может быть непривычным ощущением, электрорецепция довольно распространена в животном мире. Акулы, пчёлы и даже утконосы обладают способностью обнаруживать электрические поля в окружающей среде.

Ученые из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре только что добавили плодовых мушек в этот список. Группа исследователей под руководством Матье Луи обнаружила, что личинки плодовых мушек могут чувствовать электрические поля и двигаться к отрицательному электрическому потенциалу, используя небольшой набор сенсорных нейронов в своей голове.

Результаты исследования, опубликованные в Current Biology, открывают огромные возможности. Плодовые мушки, пожалуй, являются наиболее часто используемыми подопытными животными, основой для исследований в таких разных областях, как генетика, нейробиология и старение. Установление электрорецепции у плодовых мушек открывает новые направления исследований, связанных с этим чувством, и может даже привести к появлению новых методов в биоинженерии.

«Для нас электрочувствительность, вероятно, не имеет большого значения, потому что мы на неё не реагируем. Но растёт понимание того, что для многих животных она на самом деле очень важна», — пояснил Матье Луис.

Поэтому, когда он услышал, что эта способность была обнаружена у нематоды C. elegans (ещё одного часто используемого модельного организма), ему стало любопытно, есть ли она у плодовых мушек Drosophila.

Соавтор исследования Джулия Ридл, в то время студентка Луиса, приступила к изучению, используя обычный метод биологических исследований: гель-электрофорез, при котором электрическое поле проталкивает молекулы через гель с мелкими порами. Этот метод часто используется для сортировки фрагментов ДНК, но Ридл применила его, чтобы погрузить личинку дрозофилы в электрическое поле.

«У каждого, кто работает в лаборатории, есть такое устройство, — сказал Ридл, который сейчас работает в Имперском колледже Лондона. — Вместо того, чтобы помещать туда ДНК, мы помещали туда личинок, и это приводило к сверхустойчивому поведению». Личинка переориентировалась и начала двигаться к отрицательному электроду.

Наблюдая за реакцией животного, команда исследователей захотела определить, какие нейроны за неё отвечают. Для этого им нужно было отключить разные части нервной системы. Поэтому они нацелились на ген GAL4. Гены-промоторы, такие как GAL4, служат своего рода дорожными знаками, которые указывают клеточным механизмам, где начинать копирование ДНК в РНК - важнейший этап экспрессии генов.

При активации GAL4 запускает выработку модифицированной формы столбнячного токсина. Это действует как молекулярный «шлагбаум», препятствуя взаимодействию целевых нейронов с другими нейронами. Используя линии личинок с GAL4, экспрессируемым в разных нейронах, команда смогла отключить определённые группы нейронов и посмотреть, как изменилось поведение животных.

Подавление активности различных нейронов позволило группе учёных определить, какие из них играют ключевую роль в электрорецепции. Они обнаружили интересующие их нейроны по обе стороны головы личинки, ближе к кончику, в области, отвечающей за обоняние и вкус.

Ридл ввела ген, кодирующий белок, который флуоресцирует, когда нейроны активны, чтобы она могла отслеживать активность в режиме реального времени. Воздействие электрического поля на головной сегмент под микроскопом подтвердило ее первоначальное открытие. "Вам не нужно проводить сложный анализ", - сказала она. "Если нейроны действительно реагируют, они загораются".

«Честно говоря, я не могла в это поверить. Это было так очевидно», — добавила она.

На самом деле только один нейрон в этом кластере реагировал на электрическое поле. Нейрон подавлялся, когда электрод находился перед головой, и активировался, когда электрод находился позади, заставляя личинку переориентироваться.

Луис и Ридл начали эту работу в 2009 году, когда Луис был исследователем в Центре геномной регуляции (CRG) в Барселоне, Испания. «Это интересный проект, потому что на его завершение ушло более 15 лет, - сказал он. - Это научный марафон».

Отчасти причина в том, что электрические поля трудно измерить и визуализировать, в отличие от магнитных полей, которые можно обнаружить с помощью железных опилок. Команда исследователей опасалась, что личинки могут реагировать на другие, мешающие факторы в экспериментальной установке, такие как электрический ток, кислотность или температурный градиент.

Когда Луис стал преподавателем в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, он смог наладить контакт с электрохимиком Лиором Сепунару и инженером-механиком Алексом Иденом, которые могли смоделировать электрическое поле в ходе эксперимента. Иден предоставил группе сложные модели, необходимые для описания условий эксперимента. И хотя лаборатория Луиса уже не раз проводила моделирование, «это моделирование на несколько порядков превосходит то, что мы обычно можем сделать», — сказал он.

Получив более полное представление об условиях эксперимента, команда смогла приступить к систематическому устранению этих мешающих факторов. Они перешли на раствор электролита, кислотность которого не менялась в ходе эксперимента. Они также усилили контроль над резистивным нагревом геля.

«Чтобы проверить, действительно ли ток или электрическое поле являются тем элементом, который управляет поведением, мы хотели изменить один из них, но не другой, — объяснил Луис. — Это чрезвычайно сложно, потому что они взаимосвязаны.»

Моделирование, проведённое в Идене, показало, что они могли добиться этого, изменив толщину агаровой среды. Результаты подтвердили их гипотезу: личинки реагировали на само электрическое поле, а не на ток, который оно вызывало в агаровом геле. Именно нейроны в их голове определяли электрическое поле, его силу и ориентацию.

Авторы не уверены, почему у личинок дрозофил развилась электрочувствительность, но по ходу работы они выдвинули несколько гипотез. Электрочувствительность может помогать личинкам ориентироваться в гниющих плодах, в которых они живут. Личинки плодовой мушки развиваются всего за несколько дней, поэтому им нужно быстро находить участки с более мягкой мякотью, большим количеством сахара и меньшим количеством спирта. Луи сказал, что ферментация может создавать электрический градиент, который животные затем используют для навигации.

Кроме того, внутренняя часть яблока довольно темная. "Органы чувств, которые развиваются в процессе эволюции, отражают физические свойства окружающей среды", - добавил Ридл. "Итак, если есть электрическое поле, почему бы его не ощутить?"

С другой стороны, это может помочь животным избежать нападения хищников. Летающие насекомые получают положительный заряд, поэтому отвращение к положительному заряду может быть адаптацией, помогающей личинкам дрозофил избегать ос-паразитоидов, которые могут уничтожить до 90% личинок, прежде чем они достигнут зрелости.

Или это может быть сочетание факторов, «которые одновременно направляют их к более благоприятной части плода, а также уводят от нападения ос», — отметил Ридл.

В любом случае, это открытие позволяет лучше понять, как дрозофилы воспринимают и ощущают мир с помощью своих органов чувств и систем восприятия.

Дополнительные вопросы и новые возможности

У большинства животных, которых изучали учёные, электрорецепторы представляют собой механосенсорную структуру, которая определяет движение в ответ на статический заряд, подобно тому, как дёргаются волоски на ваших руках, когда вы распутываете свежее бельё. Но авторы не наблюдали этого у личинок дрозофил: нейроны, по-видимому, реагировали непосредственно на электрическое поле.

Возможно, существует скрытый механизм, который авторы ещё не обнаружили, или в этих электросенсорных нейронах происходит что-то очень интересное.

Кроме того, нейроны, отвечающие за это ощущение, находятся в кластере, который распознаёт запахи и вкусы. На самом деле, эти нейроны по-прежнему экспрессируют ген, который делает их чувствительными к горьким веществам. Возможно, что клетки могут реагировать как на электрические поля, так и на горький вкус, поскольку оба раздражителя вызывают одинаковую реакцию. Возможно, положительный полюс электрического поля вызывает у личинок дрозофил ощущение, похожее на горький вкус, и поэтому они избегают его.

Группа учёных рассматривает своё открытие как шаг к более глубокому пониманию электрорецепции. «У вас есть множество разных животных, которые могут обнаруживать электрические поля. Но поскольку ни одно из них не является модельным организмом, очень сложно понять генетическую основу этого чувства», — сказал соавтор исследования Дэвид Тадрес, аспирант в лаборатории Луиса. Но поскольку дрозофила является идеальным организмом для изучения всевозможных генетических вопросов, команда надеется, что они смогут определить гены, участвующие в этом процессе.

Изучение основ электрочувствительности имеет значение не только для понимания сенсорных систем животных. Клетки часто перемещаются в ответ на воздействие электрических полей и токов. Исследования на дрозофилах могут пролить свет на это поведение, которое является важным компонентом заживления ран, объяснил Луис.

Это открытие также может привести к появлению новых исследовательских инструментов. Например, светочувствительные гены в водорослях привели к развитию оптогенетики: возможности напрямую контролировать экспрессию генов и нейронную активность с помощью света. Все молекулярные инструменты для удалённого управления этими процессами требуют доступа к клетке, что может быть довольно инвазивным. Но метод, использующий электрическое поле, может просто проникать в ткань.

«Изучение нового способа восприятия у крошечной личинки дрозофилы может открыть новые направления в биоинженерии», — сказал Луис.

Источники:

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(25)00299-4?_returnURL=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0960982225002994?showall=true

https://phys.org/news/2025-04-scientists-fruit-fly-larvae-electric.html

Источник: phys.org

Комментарии: