Рис. 1. Дизайн эксперимента и основной результат. Мухи сидят поодиночке в пробирках, обклеенных полосками зеленой, красной и синей пленки (цветовыми фильтрами). Порядок цветных полосок рандомизирован. В каждой пробирке внизу находится корм, другой конец заткнут ватной пробкой. Поддерживается постоянная температура, влажность и суточный цикл освещенности: 12 часов яркого света сменяются 12 часами темноты. Съемка ведется в инфракрасных лучах, невидимых для мух (поэтому на нижних фотографиях пробирки выглядят черно-белыми). На графике показана доля мух, находящихся в зеленых, синих и красных зонах пробирок в разное время суток (ZT 0 — начало светового дня, ZT 12 — момент, когда свет выключается). Слева и справа от графика показано типичное распределение мух по цветовым зонам во время утреннего и вечернего пиков «любви к зеленому», внизу — во время «полуденной сиесты», когда мухи с равной вероятностью находятся в зеленых и красных зонах. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Биологи из Университета Майами обнаружили у дрозофил неожиданно сложные врожденные цветовые предпочтения, зависящие от времени суток. Избегание синего цвета наблюдается в течение всего дня, утром и вечером мухи предпочитают зеленое освещение красному, а в середине дня они не делают различий между зеленым и красным светом, избегая только синих зон. Опыты с мутантными и трансгенными мухами показали, что разные элементы этих предпочтений основаны на разных физиологических механизмах и задействуют разные рецепторы. Избегание синего зависит от периферических нейронов и сохраняется даже у слепых мух, предпочтение зеленого красному требует наличия нормального зрения, а в полуденном снижении любви к зеленому цвету задействованы антенны.

За сотню с лишним лет интенсивного изучения при помощи всех мыслимых и немыслимых методик у плодовой мушки Drosophila melanogaster, казалось бы, не должно уже было остаться ничего сокровенного. Однако это неисчерпаемое насекомое всё еще продолжает удивлять исследователей, причем неожиданные факты обнаруживаются не только в ходе высокотехнологичных молекулярных исследований, но и в сравнительно простых поведенческих опытах. Примеры таких открытий можно найти в новостях Самки медленнее стареют, если за них не конкурируют («Элементы», 25.01.2014) и Дрозофилы учатся друг у друга и хранят культурные традиции («Элементы», 03.12.2018).

В статье, опубликованной 19 сентября в журнале Nature, ученые из университета Майами (США) сообщили еще об одной находке такого рода. Как выяснилось, у дрозофил имеются сложные врожденные цветовые предпочтения, зависящие от времени суток и внутренних циркадных ритмов и связанные с несколькими разными физиологическими механизмами реакции на свет.

Дизайн эксперимента показан на рис. 1. Самцов дрозофил в возрасте 2–7 дней поодиночке сажали в пробирки, обклеенные пластиковыми цветовыми фильтрами трех цветов: красного, синего и зеленого. Пробирки с мухами содержались в условиях постоянной температуры и влажности, а освещение следовало неизменному суточному ритму: 12 часов яркого белого света сменялись 12 часами полной темноты. Рецепторов красного света у дрозофил вроде бы нет, поэтому красное освещение они должны воспринимать просто как тусклое. Поведение мух фиксировали при помощи камеры, которая вела съемку в инфракрасном диапазоне.

Рис. 2. Цветовые предпочтения мух в течение 6 суток тестирования. Верхняя полоса показывает «смену дня и ночи» (12-часовые периоды яркого света и темноты). По вертикальной оси — доля мух, находящихся в зеленых, красных и синих зонах. Видно, что утренние и вечерние пики предпочтения зеленого света не были четко выражены только в первые сутки. По-видимому, в это время мухи еще не успели адаптироваться к новому для них световому режиму. Правый график показывает связь между изменениями цветовых предпочтений (вверху) и двигательной активностью (внизу). Видно, что максимумы предпочтения зеленого цвета совпадают с концом утреннего и началом вечернего периода повышенной активности. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Выяснилось, что мухи старательно избегают синего света в течение всего светлого периода суток. Их любовь к зеленому достигает максимума в утренние и вечерние часы: примерно через 2 часа после включения света и за 1 час до его выключения. В середине дня мухи с одинаковой частотой обнаруживаются в зеленых и красных зонах. В темное время суток мухи распределяются по зонам случайным образом (рис. 2). Восьмичасовой промежуток из жизни дрозофил, в течение которого было по четыре часа «ночи» и «дня», показан на видео:

Авторы протестировали четыре разные лабораторные линии мух дикого типа, и все вели себя одинаково. Дополнительные эксперименты показали, что мушиные предпочтения определялись именно цветом (длиной волны), а не яркостью света и не разностью температур в разных зонах пробирки.

Анализ видеозаписей показал, что суточные изменения цветовых предпочтений связаны с колебаниями двигательной активности. Утром и вечером мухи активно бегают и летают по пробирке. В конце утреннего и в начале вечернего периода активности наблюдается максимальное предпочтение зеленого цвета: именно в это время мухи чаще всего обнаруживаются в зеленых зонах, избегая синих, и, в меньшей степени, красных зон. В середине дня у мух «сиеста»: их двигательная активность резко падает, и они предпочитают спокойно сидеть около корма. При этом им всё равно, в зеленой или красной зоне они находятся, лишь бы не в синей. Если в данной пробирке корм находится в синей зоне, то муха обычно пристраивается где-то на краю соседней зеленой или красной зоны, а в синюю зону лишь ненадолго забегает, чтобы поесть.

Известно, что интенсивный коротковолновый свет вреден дрозофилам (как и многим другим насекомым), но в целом вопрос о том, какой адаптивный смысл имеют (и имеют ли) выявленные предпочтения, остается открытым.

Чтобы расшифровать молекулярные основы обнаруженных предпочтений, исследователи провели эксперименты с разнообразными мутантными и трансгенными линиями дрозофил.

Для начала они сосредоточились на избегании синего света. Как ни странно, оказалось, что мутации, нарушающие развитие глаз или вовсе делающие мух слепыми, почти не влияют на нелюбовь к синему. Правда, это справедливо только для яркого освещения. При тусклом освещении слепые мухи не так активно избегают синего света, как зрячие. Очевидно, это значит, что в избегании синего задействованы не только глаза, но и некие дополнительные светочувствительные рецепторы, находящиеся в других частях тела.

Отключая один за другим гены родопсинов, чувствительных к коротковолновому свету, ученые обнаружили, что ключевую роль в избегании синего играет недавно открытый и малоизученный родопсин 7 (Rh7), чувствительный к свету от ультрафиолетового до синего. Этот белок экспрессируется не только в глазах, но и в некоторых сенсорных нейронах, не связанных со зрительной системой. Избегание синего цвета полностью пропадает, если вывести из строя ген rh7, и восстанавливается у трансгенных мух с восстановленной функцией данного гена. Дальнейшие опыты показали, что для избегания синего необходима экспрессия rh7 в периферических мультидендритных сенсорных нейронах типа IV, которые обеспечивают болевую чувствительность и задействованы в реакциях избегания разных опасных стимулов вроде перегрева. Ранее было показано, что эти нейроны отвечают за избегание синего цвета личинками дрозофил, однако у личинок, в отличие от взрослых мух, в этом задействован не Rh7, а другие белки (вкусовой рецептор Gr28b и ионный канал TrpA1). У взрослых же мух для избегания синего цвета, помимо Rh7, необходима исправная работа другого ионного канала, Painless. Про Painless ранее было известно, что он участвует в реакции на тепловые, механические и химические стимулы. В реакциях на свет Painless до сих пор не был замечен. Если немного дать волю фантазии, можно предположить, что чувство, вызываемое у дрозофил ярким синим светом, сродни боли.

В отличие от избегания синего света, в любви к зеленому зрение, как выяснилось, играет ключевую роль. Слепые мухи не замечают разницы между зеленым и красным не только в середине дня, но и по утрам и вечерам. Из двух родопсинов, чувствительных к зеленому свету (Rh1 и Rh6), для того, чтобы муха предпочитала зеленый свет красному, необходим только Rh1. Мухи, лишенные этого белка, с одинаковой частотой посещают зеленые и красные зоны в течение всего дня.

Что касается уменьшения любви к зеленому в середине дня, то для этого, как выяснилось, необходимы белки TrpA1 и Pyrexia. Выход из строя любого из них приводит к тому, что мухи предпочитают зеленый красному в течение всего дня, а не только утром и вечером. Белки TrpA1 и Pyrexia участвуют в реакциях на различные неприятные стимулы, включая перегрев, и экспрессируются, в частности, в антеннах. Оказалось, что если мухе отрезать антенны, оставив нетронутыми глаза, то такая муха будет вести себя так же, как и муха с нарушенной работой TrpA1 или Pyrexia: она будет предпочитать зеленый красному в течение всего дня.

Таким образом, для того, чтобы муха предпочитала зеленый красному, необходимы глаза и Rh1, а для того, чтобы она делала это лишь утром и вечером, но не в середине дня, нужны антенны, TrpA1 и Pyrexia.

Характерно, что мутации генов, участвующих в избегании синего цвета, никак не влияют на предпочтение зеленого, и наоборот. Таким образом, разные аспекты цветовых предпочтений у дрозофилы основаны на разных механизмах, работающих независимо друг от друга.

Рис. 3. Цветовые предпочтения мух с разными «настройками» циркадного ритма при разной продолжительности суточных циклов освещенности. perS — мухи-мутанты с ускоренными внутренними часами, для которых «естественная» продолжительность суток составляет 19 часов, wild-type — мухи дикого типа (для них «внутренние» сутки длятся 24 часа), perL — «замедленные» мухи с длительностью суточного цикла 29,5 часов, per0 — мухи-мутанты, лишенные внутреннего циркадного ритма. Видно, что нормальные утренние и вечерние пики любви к зеленому наблюдаются только в том случае, если суточный цикл освещенности совпадает с «внутренним» суточным ритмом мухи. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Дополнительные эксперименты показали, что для «правильной» смены цветовых предпочтений у дрозофил в течение суток необходимо, помимо прочего, еще и соответствие смены дня и ночи внутренним «биологическим часам» насекомого. Для этого были использованы мухи с мутациями гена Period, влияющего на ход внутренних часов. Выяснилось, что нормальные утренние и вечерние пики предпочтения зеленого цвета наблюдаются только в том случае, если внутренние циркадные ритмы мухи совпадают с периодичностью смены света и темноты (рис. 3).

Все расшифрованные компоненты механизмов, ответственных за цветовые предпочтения, суммированы на рис. 4.

Рис. 4. Схематическое изображение механизмов цветовых предпочтений, которые удалось расшифровать. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Новые данные о врожденных цветовых предпочтениях дрозофилы — важнейшего модельного животного — ставят перед учеными новые задачи и открывают новые возможности. Не исключено, что придется переосмыслить результаты некоторых прежних экспериментов, в которых дрозофилам предлагались на выбор разноцветные объекты (Дрозофилы учатся друг у друга и хранят культурные традиции, «Элементы», 03.12.2018). Недавно было показано, что у людей цветовые предпочтения могут зависеть от времени года (K. B. Schloss et al., 2017. Seasonal Variations in Color Preference). Возможно, стоит проверить, нет ли у людей и суточных колебаний, как у дрозофил.

Источник: Stanislav Lazopulo, Andrey Lazopulo, James D. Baker & Sheyum Syed. Daytime colour preference in Drosophila depends on the circadian clock and TRP channels // Nature. Published online 19 September 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1571-y.

Александр Марков

Источник elementy.ru