Долгая сиеста на экваторе
В лаборатории ученые варьировали продолжительность светового и темного циклов, которым подвергались насекомые. В их первом эксперименте двенадцать часов дня сменялись двенадцатью часами ночи. Этот ритм типичен для экватора, где день и ночь примерно одинаковы в течение года.
Африканские мухи проявляли характерный образец активности в этих условиях: их активные фазы были ограничены временем до заката и рассвета; тем временем они отдыхали. В природе такое поведение очень выгодно, поскольку позволяет насекомым лучше переносить дневную жару.
Будучи немного более расслабленными утром, финские двукрылые, напротив, имели пик активности в начале дня и оставались активными до наступления темноты, в основном без сиесты. С биологической точки зрения такое поведение имеет смысл, потому что даже в разгар лета северное скандинавское солнце редко бывает достаточно сильным, чтобы нанести вред животным.
На следующем этапе ученые продлили лабораторный день: они оставили свет включенным на 20 часов, а затем снова выключили его на четыре часа. В ответ на это танзанийские мухи не продлили период отдыха, а начали суетиться задолго до наступления сумерек.
Их активность теперь достигла пика в то время суток, когда обычно было еще жарко. Если бы в Танзании был 20-часовой рабочий день, такое поведение, вероятно, было бы очень рискованным.
Крошечные различия в мозгу мух
Таким образом, циркадные часы южных мух, похоже, ориентированы на более или менее постоянную продолжительность светового дня. Интервал между утренней и вечерней активностью всегда примерно одинаковой длины.
Финские особи, напротив, адаптировали свою активность к более продолжительным дням: они использовали продолжительный световой период для более обширного поиска пищи, который заканчивался только с наступлением темноты. «Таким образом, циркадные часы этих двух видов, похоже, очень по-разному реагируют на измененные дневные и ночные ритмы», – отмечает Шарлотта Хельфрих-Форстер."Мы спросили себя, почему это так."
На первый взгляд кажется, что циркадные часы всех трех видов имеют одинаковую структуру: и у финских плодовых мушек, и у их танзанийских собратьев одни и те же нейроны часов – это нервные клетки в головном мозге, составляющие циркадную систему. Поэтому вюрцбургские ученые присмотрелись к мозгу мух. «Мы смогли показать, что финские виды не производят фоторецепторы синего света в определенных нейронах, в отличие от их африканских родственников», – говорит Хельфрих-Форстер. "Это означает, что пораженные нервные клетки не имеют датчика для дневного и ночного времени."В других нейронах отсутствует молекула под названием PDF, которая обычно передает входящие свето-темные сигналы в другие центры мозга.
Сброс летающих часов
Но действительно ли эти различия ответственны за измененный характер активности скандинавских насекомых??
Чтобы ответить на этот вопрос, вюрцбургские ученые «сбросили» циркадные часы африканской дрозофилы. Посредством генетической модификации они отключили производство фоторецептора синего света в тех нейронах, в которых он отсутствовал и у финских мух. Аналогичным образом поступили и с PDF-файлом.
Результат манипуляции был поразительным: «Дроздовые мушки из Танзании теперь демонстрировали ритм активности, очень похожий на ритм их финских коллег», – подчеркивает профессор Хельфрих-Форстер. "Кроме того, их сиеста была менее выраженной."
Считается, что предковая плодовая муха имеет африканское происхождение. Со временем насекомые распространились и в более прохладные регионы.
Ученые предполагают, что циркадные часы мух также изменились в процессе, что позволило насекомым адаптироваться к колебаниям продолжительности дня и более низкой интенсивности солнечного света.