через мембрану и, следовательно, сильный и дольше действующий потенциал. Но в определенном возрасте, по мере созревания, рецептор меняется, и вместо белка-рецептора, который давал сильный ионный ток, в мембранах уже находится рецептор, который дает слабый и менее продолжительный ток. Это связано с тем, что интенсивное обучение нужно проходить в молодости, а с возрастом животное становится более консервативным, повторяет то, что выучило в молодости. Исследователи ввели в геном мышей мутацию, в результате которой синтез "юношеского" белка усилился в несколько раз. Мутанты лучше запоминали и распознавали звуки, объекты и их положение в пространстве, быстрее справлялись с тестами. Тем самым, им как бы продлили сензитивный период. Может возникнуть вопрос, почему способность к обучению угасает с возрастом, то это уже отдельный эволюционный вопрос.
Каким же образом формируются навыки, то есть, новые синаптические связи? В серии экспериментов на мухах и улитках морских зайцах (аплизиях — их очень любят нейробиологи), были расшифрованы механизмы формирования кратковременной и долговременной памяти. За эти работы Эрик Кенделл получил Нобелевскую премию.
Допустим, улитке подали электрический ток на хвост. Ей нужно хвост отдернуть. Каким образом это происходит.
Молекулярно-генетические механизмы формировании условного рефлекса
Продолжительность реакции: 1 —минуты, 2 — часы, 3 — формирование новых синапсов
От обиженного хвоста поступил сигнал в виде серотонина. Серотонин связывается с рецептором на мембране сенсорного нейрона. Именно здесь происходит этап обработки информации и принятии решения. Рецептор взаимодействует с аденилатциклазой, которая синтезирует циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Последний взаимодействует с киназой (киназы — это белки, которые фосфорилируют другие белки). Киназа фосфорилирует кальциевые каналы в мембране, через них идет ток, мембрана деполяризуется, что является сигналом к выбросу нейромедиаторов в синаптическую щель. Нейромедиатор связывается с рецептором на постсинаптической мембране мотонейрона, и мотонейрон дает мышцам команду отдернуть хвост от неприятного раздражителя. Это — кратковременная память (работает 3–4 минуты).
Если раздражение продолжает поступать регулярно, то эта реакция — долгосрочная память (работает 12–24 часа). В этом случае продолжает синтезироваться цАМФ, то фрагмент киназы перемещается в ядро и активирует здесь ген, модифицирующий киназу — отщепляющий от нее кусочек таким образом, что она становится перманентно активной. То есть, циклический аденозинмонофосфат ей для активации становится не нужен. Это — долговременная память.
Если сигнал продолжает поступать и дальше, то включается следующий механизм. Большие количества фрагментов киназы активируют фактор транскрипции, запускающий работу группы генов, обеспечивающей синтез белков и образование нового синапса. Это — память на всю жизнь, именно она должна работать при обучении.
Эволюционная теория пола. биотехнологии. иммунология. передача сигналов в организме
Лекция № 24
ЭВОЛЮЦИОННАЯ ТЕОРИЯ ПОЛА
С.А.Боринская
Теория полового отбора Дарвина вызывала споры, неоднократно высказывалось мнение, что она является самым слабым местом дарвиновского учения. После Дарвина проблемой пола занимались крупнейшие биологи, однако современные авторитеты продолжают говорить об отсутствии удовлетворительного объяснения того, почему возник и сохраняется пол. Например, в книге канадского ученого Белла, вышедшей в 1982 г., читаем: "Пол — главный вызов современной теории эволюции. Интуиция Дарвина и Менделя, которые осветили так много загадок, не смогла справится с центральной загадкой полового размножения. В чем функциональное значение пола, которое приводит к его сохранению в биологических популяциях? "
Путь к решению проблемы был предложен в середине 60-х гг. в новой концепции В.А. Геодакяна, дающей объяснение эволюционного смысла деления на два пола.
Существование двух полов чаще всего связывают с размножением. Верно ли это?
Древнейшим способом размножения является бесполое, осуществляющееся путем простого деления клетки. Оно широко распространено у одноклеточных организмов (бактерии, сине-зеленые водоросли, амебы, инфузории и др.). При бесполом размножении не нужно искать партнера. Однако при таком способе размножения изменчивость достигается только за счет мутаций. Значительное увеличение изменчивости за счет комбинирования признаков различных особей обеспечивает половой процесс (скрещивание). Процесс скрещивания лежит в основе половых способов размножения. Если брачным партнером особи может быть любая из остальных, такой способ полового размножения называется гермафродитным. К гермафродитам относятся черви, пиявки, усоногие ракообразные, многие моллюски, некоторые рыбы. Следующим шагом в эволюции размножения стало раздельнополое размножение, при котором популяция делится на два различающихся между собой по ряду признаков пола.
Сравним эти способы размножения по двум параметрам: количественной эффективностью и комбинаторным возможностям. В количественном отношении самая высокая эффективность принадлежит бесполым формам, которым не надо искать партнера. При половом размножении эффективность в два раза меньше. Значит, с появлением скрещивания количественные преимущества утрачиваются. Однако появляются практически неисчерпаемые возможности быстрого обмена полезными мутациями, обеспечивающими комбинаторное богатство популяции. Но по этому показателю у половых форм явное преимущество принадлежит гермафродитам, где при скрещивании нет ограничений по полу партнера.
Выходит, раздельнополое размножение уступает двум предыдущим формам или по комбинаторному потенциалу, или по количественной эффективности. Тогда встает вопрос, почему же все прогрессивные в эволюционном плане формы животных (млекопитающие, птицы, насекомые и другие) раздельнополы. Среди растений прослеживается та же тенденция — более поздние формы дифференцированы по полу (двудомные растения). Раздельнополый способ размножения появился в процессе эволюции в очень далеких друг от друга группах. Парадокс? Но известно, что в эволюции ничего не бывает зря. Зачем же эволюции понадобились два пола?
Как совместить устойчивость и изменчивость
Весь окружающий нас мир можно представить как совокупность разнообразных систем. Каждая из них существует в определенной среде. Эволюционирует как среда, так и система. Среда диктует системе направление эволюции. Каждая эволюционирующая система должна быть устойчивой, консервативной, сохраняя накопленную полезную информацию, и одновременно изменчивой, способной адаптироваться к меняющимся требованиями среды.
Как же снят этот конфликт? Возможны два решения. Первое — поддерживать свойства системы к изменчивости в некотором промежуточном, оптимальном состоянии. Однако это создает для системы довольно узкие рамки существования.
Второе решение — разделить систему на две части, подсистемы. Одна из этих частей — консервативная — убирается подальше от среды (не в геометрическом, а в информационном плане) для сохранения полезной информации, а другая — изменчивая, оперативная — воспринимает и проверяет новую информацию. Такое разделение на две сопряженные подсистемы (консервативную и оперативную) повышает устойчивость системы в целом. Но ведь популяция особей — это живая система, эволюционирующая в изменчивой среде и нуждающаяся в повышенной устойчивости. Логично предположить, что разделение ее на две части — два пола — и обеспечивает такую устойчивость. Но тогда один из полов должен быть консервативен, представлять собой "ядро" системы, а второй должен быть оперативной, изменчивой "оболочкой". Таким образом, разделение на два пола оказывается выгодной для популяции формой получения информации от
