У биолога Дарьи Романовой в статусе стоит «Пересекла Атлантический океан». Дарья вместе с учёными из разных стран прошла по пути Чарльза Дарвина и собрала уникальные планктонные пробы — коллекцию животных, чтобы выяснить, как и зачем у животных появились нейроны. А ещё у Дарьи с коллегами недавно вышла работа о жизненных циклах пластинчатых — удивительных существ, которые, не обладая нервной системой, демонстрируют очень сложное поведение. Мы попросили Дарью, рассказать о проекте по изучению Мирового океана и об исследовании Placozoa в лаборатории.
Почему учёные заинтересовались пластинчатыми
Пластинчатые или Placozoa — это удивительные и интересные животные, которых исследуют биологи всего мира. Чем же учёных привлекают эти крошечные организмы, которые в диаметре достигают всего 2—3 мм? Дело в том, что пластинчатые — очень просто устроенные существа, которые располагают лишь 10—15 клеточными типами. У Placozoa нет нейронов, мышц и даже синапсов. Тем не менее, социальное и двигательное поведение животных очень сложны — например, они могут поворачиваться направо и налево, направленно двигаться к пище, и обладать элементами социального поведения. Эволюционным биологам — в том числе и нам — очень интересно, каким образом организмам без нейронов и мозга удаётся генерировать сложные поведенческие паттерны. В общем-то, этот интерес и привёл к нашим исследованиям.
Итак, в начале эксперимента нам предстояло понять биологию пластинчатых, чтобы приспособить их к лабораторным условиям. Мы выяснили, что для культивирования Placozoa оптимален восьмичасовой световой режим, они предпочитают жить в воде с океаническим уровнем солёности (36 промилле). Очень важно культивировать пластинчатых в естественных для них условиях — чтобы их поведение, физиология и морфология сохранялись. В лаборатории мы исследовали четыре вида пластинчатых.
Сегодня Placozoa культивируют в лабораториях по всему миру — в Канаде, США, Германии и других странах — наблюдают за ними и исследуют, в том числе с помощью методов молекулярно-генетического анализа. Так, учёные показали, что пищевое поведение пластинчатых достаточно сложное. Например, Placozoa могут образовывать небольшую колонию из 3—15 особей. Такие колонии могут синхронно передвигаться по субстрату (питательной среде) в определённом направлении.
Приступая к исследованию, мы планировали на примере Placozoa изучить геномные и клеточные основы поведения животных. Как я уже писала, пластинчатые состоят лишь из десятка клеточных типов — и при этом демонстрируют сложное поведение. На примере Placozoa проще понять взаимосвязь между клеточными типами, чем изучая человека, например. У человека, на минуточку, около 86 млрд нейронов. И пока у учёных нет технологии, которая позволила бы достоверно и полно оценить их взаимосвязь и работу. Также сложно разобраться практически с любым животным с нервной организацией. Вот поэтому мы и обратились к пластинчатым — замечательному модельному организму.
Современные методы микроскопии позволяют учёным исследовать морфологию организмов и наблюдать за тем, как работают клетки животных. Мы можем, например, помечать клетки, можем получать изображения движущегося животного в высоком разрешении. Однажды мы вместе со швейцарскими коллегами провели эксперимент: красили клетки разными красителями и изучали межклеточное взаимодействие Placozoa, пока само животное активно передвигалось по подложке. Проделать то же самое с более сложными организмами — теми же дрозофилами — пока невозможно.
Зачем нужны сферы?
Идея нашей работы родилась ещё в 2017 году. Я тогда сидела по 6—8 часов за микроскопом в лаборатории, приходила в 9 утра, уходила в 10 вечера, и всё это время наблюдала за Placozoa. Меня очень привлекало их необычное и интересное поведение — мы с коллегами поняли, что оно не вписывается в рамки того, что было на тот момент написано о пластинчатых в научных работах. Тогда мы и решили, что надо исследовать, как живут и ведут себя при длительном культивировании в лабораторных условиях эти маленькие существа.
Итак, что было известно о Placozoa на тот момент? То, что пластинчатые — это дискообразные животные, которые питаются красными и зелёными микроводорослями и не брезгуют цианобактериями. Учёные знали, что в колониях иногда формируются непонятные сферические структуры, которые странно себя ведут — было высказано предположение, что так Placozoa демонстрируют своё половое размножение. В 2013 году наш коллега Майкл Эйтель опубликовал научную статью, в которой сообщил, что бластула — ранняя стадия в развитии пластинчатых — состоит из 128 клеток.
В 2018 году последовала работа Эйтеля — он выяснил, что между Trichoplax и Hoilungia — двумя видами пластинчатых — невероятно много отличий. Их геномы отличаются более чем на 20%. Столько же отличий между млекопитающими и птицами, например! При этом Trichoplax и Hoilungia внешне очень похожи, их вообще трудно друг от друга отличить под микроскопом. Да, эти два вида отличаются по поведению и, как мы узнали, на молекулярном уровне. Но внешне они абсолютно одинаковы.
В ходе нашего исследования мы пытались понять, как у пластинчатых формируются сферические структуры. И зачем эти структуры вообще нужны. На самом деле нужны они по двум причинам. Во-первых, для формирования бродяжек, а бродяжки — это подвижные миниорганизмы. Это выяснили ещё в 70-х гг. XX века учёные Тимон и Ратман, которые исследовали вегетативное размножение пластинчатых. По их наблюдениям, потомство имеет все те же клеточные типы, что и взрослые особи, и ведёт себя точно так же. А ещё учёные обнаружили, что потомство может формироваться от верхнего слоя взрослых особей и от нижнего (я напомню, что у пластинчатых нет органов, поэтому мы «делим» их тело на слои). Именно нижний слой, кстати, характеризуется большим разнообразием клеточных типов.
Мы изучили сферы пластинчатых с помощью видеорегистрации и морфологического анализа. И обнаружили, что дело происходит так: дочерний организм отделяется от материнского, какое-то время находится под нижним слоем родителя — и в это время оба животных могут вместе передвигаться по субстрату. Это напомнило нам то, как материнские организмы у позвоночных обучают и защищают своё потомство. Конечно, такое сравнение немного спекулятивно, но наше исследование продолжается — и, возможно, в будущем мы докажем, что такое сравнение окажется верным.
Во-вторых, сферы образуются, когда животное «болеет», то есть речь тут идёт об иммунном процессе. Согласно нашим данным, сферы могут формироваться только с верхней стороны пластинчатых. Почему так? Вспомним клеточный «состав» Placozoa: организм состоит из трёх слоёв. Верхний состоит из эпителиальных клеток, нижний, как я уже писала — самый богатый в плане разнообразия клеточных типов. А вот средний состоит из волокнистых клеток. Волокнистые клетки — это такой «прототип» будущих в эволюции нейрональных стволовых и иммунных клеток. Соответственно, средний слой пластинчатых представляет особый интерес — этот слой исследуют биологи со всего мира. Интересно, кстати, что в волокнистых клетках среднего слоя у пластинчатых живут бактерии. И учёные спорят, кем являются эти бактерии для животных — эндосимбионтами или патогенами. Эндосимбионты — это такие микроорганизмы, которые синтезируют нужные хозяевам вещества — и в обмен на это хозяин не распознаёт бактерий как патогены и даже защищает их, включая снабжение метаболитами.
В ходе нашего исследования мы выяснили, что, когда культуры пластинчатых «стареют», бактерии могут вызывать у них аналог «болезней». А «стареют» организмы, когда у них не обновляется морская вода или когда у них дефицит питания, тех же зелёных водорослей. В итоге животные начинают «болеть», и у них формируются защитные сферы. Что делают сферы? Они заключают в себя заражённые клетки волокнистого типа, где находятся патогенные бактерии. Если мы Placozoa в таком случае пересадим в новую чашку Петри со свежей морской водой и дадим им еду, то животные «выздоравливают» и продолжают вегетативное размножение. Пластинчатые на стадии «выздоровления» начинают уплощаться со всех сторон, и снова превратятся в здоровых животных. И в результате мы вновь получаем здоровую популяцию Placozoa.
В процессе эволюции нервная и иммунная система не могли возникнуть с нуля, просто так. Не могли животные просто решить: «Обзаведусь-ка я нейронами!» Для их появления нужны были какие-то эволюционные предпосылки, должны были появиться прототипы будущих нейрональных клеток. Такие прототипы мы наблюдаем у пластинчатых, у которых, по сути, и иммунная, и нервная система интегрированы в одном клеточном типе — волокнистых клетках. В будущем мы планируем изучить иммунные процессы у Placozoa с помощью микроскопии и трёхмерной реконструкции клеточных типов. Очень хочется узнать, каковы геномные основы поведения этих волокнистых клеток.
Напоследок скажу ещё пару слов о Placozoa. Их часто называют «базовыми» или первыми многоклеточными. Однако губки и гребневики появились раньше, поэтому сказать, что пластинчатые — промежуточное звено между одноклеточными и многоклеточными, нельзя. У пластинчатых уже наблюдаются все черты сложно устроенных организмов, хоть организация их тела и очень проста. Их клетки коммуницируют с помощью объёмной передачи данных — а это один из самых древних способов клеточного «общения». Те же бактерии как раз коммуницируют с помощью хемотаксиса — они двигаются в ответ на химический раздражитель. Точно так же взаимодействуют между собой и клетки пластинчатых.
О проекте «Океан»
Конечно, пластинчатые — не единственная сфера моих профессиональных интересов. Я участвую в проекте Ocean Genome Atlas Project (или как мы его между собой называем — «Океан»). Организаторы этого амбициозного проекта поставили цель — максимально изучить биоразнообразие Мирового океана, составить фотокаталог видов и отсеквенировать их геномы и транскриптомы. В рамках нашей работы мы постоянно находим новые виды организмов, которые никто не изучал до нас. Мы берём планктонные пробы — и в каждой из этих проб находим от 6 до 8 сюрпризов — это или новые формы, или даже новые виды. Когда мы находим новое животное, мы его фотографируем, описываем и отправляем на секвенирование и молекулярный анализ.
Одна из целей проекта — создать атлас видов Мирового океана, который может послужить хорошим референсом и базовой платформой для будущих проектов восстановления нашей Земли и колонизации планет. Каким образом? Я видела работу, где сообщалось о том, что ежедневно гибнет около 5—6 видов на нашей планете. Эволюция живого и нас с вами учитывает всё многообразие видов и взаимосвязей — между бактериальными клетками и их носителями, между вирусами и человеком, между всем живым в нынешнем дне. Если мы не будем знать обо всех видах и их взаимосвязях — как мы сможем восстановить нашу планету Земля? Как мы сможем колонизировать другие планеты, не зная какие взаимосвязи и виды послужили развитию нашей? Составление глобального атласа всего живого служит не просто сиюминутной прихоти сделать самую большую коллекцию и внести наш вклад в фундаментальную науку. Этот атлас послужит будущим поколениям жителей Земли для тех задач, о которых мы сейчас можем и не догадываться.
Основная идея проекта — выявить родственные клеточные линии в Мировом океане и реконструировать генеалогию нейронов, выяснить, как они вообще появились. Мы мечтаем проследить эволюцию, возможно, вплоть до секреторных клеток предковых линий животных, из которых возникли пластинчатые, губки и гребневики. В работе мы используем машинное обучение на уровне поведения отдельных клеток многоклеточных животных, методы филогеномики и технологию секвенирования единичных клеток. В проекте участвует много учёных со всего мира — например, исследователи из США работают в «Океане» под руководством нейробиолога Леонида Мороза из университета Флориды. Леонид Мороз был научным консультантом моей диссертации. Я с ним работаю бок о бок уже пятый год подряд.
Наша международная команда начала экспедицию в этом году в Голландии и на Канарских островах, чтобы пройти по пути Дарвина — который примерно 200 лет назад прошёл по сходному маршруту. Наш путь пройден до берегов Южной Америки, чтобы оценить уровень биоразнообразия морских организмов — узнать, какие животные там обитают. Мы уже коснулись огромного разнообразия новых видов! Я пишу «коснулись», поскольку то, что мы знаем, это только 10% от обитающих в океане видов. Что интересно — в сердце Атлантики, на глубине 20—30 м, мы находили личинки кораллов, например. Середина Атлантики — под нами 5 тыс. км — и мы находим живые-здоровые личинки кораллов, которые обычно обитают в других биотопах, в береговой зоне в 2—3 тысячах километров от нашего корабля. Вполне возможно, что мы наблюдали пути распространения личиночных стадий кораллов. Может быть, всё дело ещё и в изменениях течений или в климате — климат сильно меняет нашу планету, меняет жизнедеятельность почти всех организмов, включая нас.
Также в пробах мы нашли организмы, которые обитают на дне океана. Например, это личинки полухордовых — торнарий — взрослые организмы могут жить на дне Атлантики. Найти таких животных в планктоне с 20 м глубины от поверхности океана в середине Атлантики — удивительно. Когда мы обнаружили в пробе эти личинки, мы решили, что это артефакт. Но когда мы взяли 15 проб и в 10 из них нашли и личинки кораллов, и личинки торнарий, ни о какой случайности и речи не шло. К тому же мы обнаруживали их на всём пути от Канарских островов до города Пунта-дель-Эсте в Уругвае. Видимо, дело всё-таки в морских течениях и мало исследованной динамики распространения животных.
Во время экспедиции мы активно искали и изучали гребневиков, которые, возможно, являются потомками самых ранних животных. Гребневики — это очень интересные хищники с очень необычной организацией тела. Многие считают, что внешне эти животные похожи на «пришельцев». Но всё-таки, кто был раньше — предки гребневиков, пластинчатых или губок?
Однако мы опираемся на гипотезу, что эволюция всех этих групп шла параллельно. Гребневики, пластинчатые и губки живут в совершенно разных условиях — как люди и растения, например. Вот некоторые губки обитают в холодных водах, где температура от 4 до 8 градусов. Пластинчатые «любят», когда температура морской воды — от 20 до 26 градусов. Учитывая это, спецификация и видообразование каждой из животных групп происходили независимо друг от друга. Однако эти модели ещё надо развивать.