Интересные новости и факты (биология, химия)

[ArefievPV]

У муравьев афеногастеров орудиями труда пользуются только самые активные рабочие особи
https://elementy.ru/novosti_nauki/433759/U_muravev_afenogasterov_orudiyami_truda_polzuyutsya_tolko_samye_aktivnye_rabochie_osobi

Несколько лет назад было установлено, что муравьи рода Aphaenogaster при сборе пищи используют орудия труда: чтобы доставить в колонию сладкий сироп, они вымачивают в нем подручные предметы, впитывающие влагу. Также ученые выяснили, что таким продвинутым способом пользуется только часть рабочих особей в колонии. В недавних поведенческих экспериментах было показано, что склонность к «орудийной деятельности» связана с индивидуальными характеристиками муравьев. Таким образом, даже при отсутствии морфологических различий поведенческие особенности отдельных индивидуумов могут приводить к эффективному разделению труда в колонии.

P.S. В статье много ссылок на примеры использования подручных средств разными видами животных.

[ArefievPV]

Сингапур первым в мире одобрил продажу мяса из пробирки
https://nplus1.ru/news/2020/12/02/singapore-chicken

Власти Сингапура выдали компании Eat Just первое в мире разрешение на продажу мяса, выращенного в лаборатории из отдельных клеток. Речь об искусственной курятине, которая выпускается под брендом Good Meat. Пока ее будут подавать лишь в одном сингапурском ресторане, однако по мере расширения производства курятина из пробирки появится и в других ресторанах и магазинах, а ее стоимость снизится. Как сообщается в пресс-релизе компании, решение властей Сингапура стимулирует развитие всей индустрии и ускорит отказ от традиционного мяса.

Традиционное животноводство все чаще критикуют за неэтичность и ущерб, наносимый окружающей среде. Однако далеко не все потребители готовы стать вегетарианцами или веганами. Удовлетворить их спрос могло бы искусственное мясо, созданное из растительных компонентов или выращенное в лаборатории. Правда, развиваются эти технологии с разной скоростью: если растительное мясо уже свободно продается во многих ресторанах и магазинах, то мясо из пробирки до сих пор существовало лишь в виде прототипов.

Изменить ситуацию удалось американской компании Eat Just, которая получила от властей Сингапура первое в мире разрешение на продажу выращенного в лаборатории мяса. Речь идет о наггетсах из искусственной курятины, которая выпускается под брендом Good Meat. Для ее производства у живых кур отбирают клетки методом биопсии, а затем культивируют их в специальных емкостях, наполненных питательной жидкостью растительного происхождения (на производственной линии в Сингапуре пока применяют более раннюю технологию с использованием эмбриональной сыворотки телят). Представители компании утверждают, что по питательности Good Meat не уступает обычному мясу, но безопаснее, поскольку при его производстве не используются антибиотики.

Ученые вырастили древесину в пробирке
https://nplus1.ru/news/2021/01/22/uchenye-vyrastili-drevesinu

Американские ученые подобрали оптимальные условия для культивирования ex planta наиболее часто используемой в производстве растительной ткани — древесины, или ксилемы. Возможно, в будущем подобная технология избавит человечество от необходимости выращивать деревья на вырубку. Результаты экспериментов опубликованы в Journal of Cleaner Production.

В целом, процесс выращивания древесины, описанный исследователями состоит из трех стадий. Сначала из молодых листьев растения получают клетки. Затем их переносят в жидкую среду для промежуточного культивирования, и в этой среде их можно хранить до наступления следующего этапа. Чтобы вырастить необходимую конструкцию, суспензию клеток смешивают с термочувствительным гелем в соотношении 1:3 по объему. Питательная смесь застывает при комнатной температуре с равномерно распределенными в ней единичными растительными клетками. Со временем, клетки растут и формируют единую ткань.

Процесс культивирования древесины ex planta: получение клеток, культивирование в жидкой среде и выращивание в геле
Ashley L. Beckwith et al. / Journal of Cleaner Production, 2021

Ксилема, или древесина, — проводящая ткань растений, ее основная функция — транспорт воды и растворенных в ней неорганических веществ. Кроме того, ксилема придает прочность растению за счет толстых клеточных стенок с лигнином, твердым природным полимером. Изделия из древесины часто называют экологичными из-за возобновляемости растительного ресурса. Однако площадь лесов постоянно сокращается: в период с 1990 по 2016 человечество потеряло около 1,3 миллионов квадратных километров лесов — это больше, чем три Забайкальских края.

За всю историю использования древесных материалов технология их заготовления не претерпевала значительных изменений: люди выращивают целые деревья, отделяют необходимые его части, а ненужное выбрасывают или сжигают. Такой подход не только нерациональным, но и более затратным, чем он мог бы быть: лишь часть выращенного растения действительно используется, а к временным расходам и расходам на землю, воду, удобрения и пестициды (в лесохозяйстве удобрения и пестициды тоже используются) добавляются стоимость транспортировки и переработки растений. Без принципиальных изменений процесса получения древесины сильно улучшить ситуацию вряд ли получится.

Тем временем растительные клетки демонстрируют впечатляющие способности развития ex planta: живые клетки могут давать начало практически любому типу растительной ткани или даже целому растению. Такое их свойство уже используется, например, в технологии микроклонального размножения растений, когда культивирование ex planta образца ткани материнского растения позволяет получить сотни и тысячи генетически одинаковых молодых ростков. Это помогает размножить даже те растения, культивирование которых другими способами — вегетативно или семенами — сильно затруднено.

Ученые из Массачусетского технологического института из группы Луиса Веласкес-Гарсии (Luis Velasquez-García) предложили применить похожую технику, но для выращивания отдельной растительной ткани, ксилемы (древесины). Они попробовали вырастить ex planta ксилему Циннии изящной (Zinnia elegans) и придать ей нужную форму.

P.S. Сначала мясо (ткань) из отдельных клеток (без убийства животных), теперь древесина (ткань) из отдельных клеток (без убийства деревьев/кустарников)... Тренд вселяет надежду...

[ArefievPV]

Любовь и утконосы
https://elementy.ru/kartinka_dnya/1299/Lyubov_i_utkonosy

Всем известно, что, хотя утконосы и млекопитающие, у них есть клюв, хотя кормят они своих детенышей молоком, вылупляются эти детеныши из яиц. Молоко выделяется через поры прямо на поверхность брюшка самки: сосков у утконосов нет. Но удивительные факты об утконосах на этом не заканчиваются. Чуть более искушенные знатоки вспомнят, что у этих зверей есть ядовитые железы — что совершенно нехарактерно для млекопитающих (исключение представляют также некоторые землеройки, щелезубы и толстые лори). Секрет этих желез выделяется из шпор, расположенных на задних ногах утконосов, и самцы активно используют их во время брачных поединков (у самок шпоры редуцированы). Защищаться от других видов с их помощью они тоже могут. Утконос весит всего килограмма два, но лучше не пытаться его схватить: умереть от яда вы не умрете, но поврежденные руки распухнут и надолго онемеют. А еще это очень больно, и противоядия пока не изобрели.

Вообще, несмотря на слегка беспомощный внешний вид, утконос отлично приспособлен к своему окружению. Много времени он проводит в воде, охотясь за ракообразными, но, как это ни поразительно, при этом он ничего не видит и не слышит. И глаза, и ушные отверстия расположены в специальных желобах по краям головы, которые во время погружения в воду «зажмуриваются». Вместе с ними закрываются и ноздри. Выходит из положения он благодаря электролокации — больше, кроме гвианского дельфина (Sotalia guianensis), никто из млекопитающих ей не владеет, разве что у родственной утконосу ехидны тоже есть электрорецепторы, но она, судя по всему, мало ими пользуется (см. картинку дня Ехидный нос). Клюв утконоса способен улавливать слабые электрические поля, и благодаря этому зверь эффективно охотится, не используя больше никаких других органов чувств.

Перед тем как отложить яйца, самка около десяти дней строит гнездо в глубине длинной норы на берегу (больше трех метров, с разветвлениями), используя тростник и листья. Носит она поклажу, зажимая ее между задними ногами и хвостом. Яйца утконосов похожи на яйца птиц и рептилий, но находятся внутри самки целый месяц, а снаружи — только десять дней. Самка оберегает свою кладку (обычно в ней 1–3 яйца), свернувшись вокруг клубком и грея ее. Когда приходит время вылупления, юные утконосы, чтобы пробить скорлупу, используют специальный роговой выступ на клюве — он называется яйцевой зуб. Такие зубы есть и у птиц, и у рептилий; после вылупления они отваливаются. У взрослого утконоса, кстати, зубов нет совсем, а у детенышей они имеются в небольшом количестве, но спустя несколько месяцев жизни начисто стираются и заменяются на плотные роговые пластины.

Три-четыре месяца детеныши питаются молоком, слизывая его с шерсти матери. В это время молочная железа ее набухает и начинает занимать почти всю поверхность под кожей брюшка. Пока детеныши еще не умеют плавать, мать баррикадирует выход из норы землей, прежде чем отправляться на охоту. К трем с половиной неделям между пальцами детенышей начинают появляться перепонки. Полностью вырастают детеныши к году-полутора. Живут утконосы долго, некоторые больше двадцати лет.


Два детеныша утконоса из австралийского питомника Хилсвилл в штате Виктория. Фото © Jason Edwards с сайта nationalgeographic.com

О существовании утконосов европейские ученые узнали в 1798 году и целую четверть века не могли решить, куда их отнести — к млекопитающим, птицам, рептилиям или вообще к отдельному классу. Ведь у них и клоака есть, и клюв, но при этом покрыты они шерстью, а когда ходят, то ноги ставят по бокам от тела, как ящерицы. С терморегуляцией у них тоже всё странно: температура их тела может изменяться в пределах от 22 до 37 градусов, что ставит их в некое промежуточное положение между теплокровными (гомойотермными) и холоднокровными (пойкилотермными) животными. Только в 1824 году немецкий биолог Иоганн Фридрих Меккель обнаружил, что у утконосов есть молочные железы, — и их всё-таки зачислили в млекопитающие (а что самка утконоса еще и яйца откладывает, узнали только спустя шестьдесят лет, кстати).

Впрочем, первозвери, к которым относятся утконос и ехидна, отделились в самостоятельную эволюционную ветвь за 22 миллиона лет до сумчатых и плацентарных, еще в раннем юрском периоде.

Современная наука позволила выявить еще несколько совершенно неожиданных сюрпризов, касающихся утконосов и разительно отличающих их от большинства известных видов млекопитающих. Выяснилось, что у них не две половые хромосомы, а целых десять — пять хромосом X и пять Y.

Казалось бы, при наличии пяти разных пар половых хромосом система определения пола становится неимоверно сложной. Полов должно быть уже не два варианта (XX и XY), а гораздо больше (всё зависит от функциональности каждой из хромосом — но при жизнеспособности любых вариантов мы бы наблюдали бесконечные X1X1X2X2X3Y1Y2Y3Y3Y4 и т. п.). И так бы и было, если бы при образовании половых клеток половые хромосомы попадали в сперматозоиды случайным образом, как это происходит, например, у людей. Но ученые с помощью метода флуоресцентной гибридизации in situ (FISH) показали, что в процессе созревания половых клеток утконосов их половые хромосомы выстраиваются в строго упорядоченную цепочку, а затем разделяются строго мозаичным способом «через одного». В каждый сперматозоид в итоге попадает либо набор X1X2X3X4X5, либо набор Y1Y2Y3Y4Y5, и путаницы не возникает.

Сюрпризы на этом не заканчиваются. Хотя некоторые участки половых хромосом имеют сходство с половыми хромосомами млекопитающих, по крайней мере, на шести половых хромосомах утконоса есть значительные по размеру участки, соответствующие половой хромосоме Z птиц (см. ZW-определение пола). В том числе это касается локуса с DMRT-генами, играющими важную роль в определении пола. Существенные пересечения с птицами заставили ученых предположить, что, по-видимому, система определения пола у первозверей (у ехидн наблюдаются похожие явления) не родственна системе других млекопитающих — привычная XY-схема возникла позже и независимо.

[ArefievPV]

Как выглядит совершенная форма жизни?

Что, если появление жизни — это не случайность? Что, если это результат некого фундаментального закона природы? И в определенных условиях зарождение должно происходить так же неизбежно, как падение подброшенного яблока? Выходит, тогда и развитие любой формы жизни тоже должно тоже подчиняться и предсказываться неким таким законом?

А как всегда бывает с фундаментальными законами природы, с помощью него можно будет дать много самых неожиданных объяснений вещам в нашей жизни, казалось бы не связанным друг с другом: почему люди стали ходить на двух конечностях вместо четырех, хотя это крайне сложная форма передвижения и среди млекопитающих — мы такие единственные, кто делает это постоянно? почему бактерии не научились сливаться в одну единую, а наоборот делятся каждая сама по себе, даже если объединяются в колонию? почему мировой бизнес спешит слезть с нефтяной иглы, особенно сейчас, хотя нефть подешевела — бери и пользуйся? и почему мы до сих пор не встретили внеземные формы жизни?

Возможно... Возможно (!) на всё это получится ответить, если посмотреть на любую форму жизни, как это делать не принято.

Сделал небольшой навигатор.

0:22 – вопрос о не случайности возникновение жизни.
1:21 – для ответа на множество вопросов (на первый взгляд, мало связанных друг с другом) озвучивает предположение (нетривиальный взгляд на формы жизни).
1:31 – энергетические переходы.
1:40 – озвучивает различие между живым и косным: живые лучше захватывают энергию и рассеивают её.
2:20 – эволюция по Дарвину может оказаться частным случаем более общего закона природы – что система стремится к рассеиванию максимального количества энергии, а копирование рассеивателей позволяет лучше этого достигать.
2:39 – закон неубывания энтропии.
5:35 – немного рассказывает о новой гипотезе. Затем поясняет, как можно интерпретировать наблюдаемую эволюцию и историю жизни на Земле, уже с точки зрения этой гипотезы. То есть, всё (от эволюции бактерий до технологического прогресса у людей) – это способы, как разные формы жизни стремятся забирать как можно больше энергии из окружающего мира, чтобы получать её ещё больше.
7:53 – сравнение энергоэффективности ходьбы человека и шимпанзе на двух ногах. Люди тратят на 75% энергии меньше, чем шимпанзе. Упоминает о трёхкратном росте энергопотребления мозга человека (в период становления оного) по сравнению с мозгом шимпанзе.
9:20 – немного говорит о возникновении земледелия (опять-таки, с точки зрения гипотезы – это способ агрегирования энергии) и последующем росте численности людей (опять-таки, с точки зрения гипотезы – это увеличение рассеивателей энергии).
10:08 – рассказывает о возникновении новых технологий: норфолкский севооборот, роттердамский плуг. Упоминает, что аграрная революция высвобождает огромное количество энергии, которая подпитывает множество социальных и политических процессов.
11:50 – чуток рассказывает о паровых машинах (повышение их эффективности, применении в промышленности и т.д.). Упоминает, что паровые машины Уатта, по сути, становятся двигателем первой промышленной революции.
13:13 – упоминает, что каждый промышленный переворот происходит, если для этого достаточно энергии.
14:05 – говорит, что если рассматривать человечество как энергетическую систему, то такую систему можно описать всего тремя элементами: природные источники энергии, способы их преобразования, как используются потоки энергии. Упоминает, что самое эффективное преобразование травы в еду это не забой скота, а кровопускание. Также упоминает, что по расчётам, один из самых эффективных способов получение животного белка в еду, это есть мясо карпа. Далее приводит любопытные факты об энергоэффективности.
16:21 – парадокс: чем эффективнее мы потребляем энергию, тем больше нам её нужно.
Упоминает, что, возможно, это один из фундаментальных принципов всего живого – экспансия, которая ограничивается только энергетическими возможностями.
16:48 – человечество преодолевает такие ограничения с помощью энергетических переходов (когда меняются все три элемента энергетической системы: источники энергии, способы их преобразования, виды использования энергии). Упоминает, что предыдущие «энергоуклады», с появлением новых, не исчезают – все «энергоуклады» используются параллельно (радикально меняются только соотношения использования «энергоукладов»).  18:38 – о «всемирном локдауне». Затем говорит о том, что развитые страны спешат совершить новый энергетический переход.   
20:35 – говорит о начале процесса перехода на новый «энергоуклад».
22:14 – последний предел.

P.S. Всё это напомнило мне о заметке:
Первые свидетельства в пользу физической теории происхождения жизни
https://m.geektimes.ru/post/292603/

[ArefievPV]

Корзинка Венеры и ее обитатели
https://elementy.ru/kartinka_dnya/1287/Korzinka_Venery_i_ee_obitateli

Перед вами группа губок Euplectella aspergillum (Venus' flower basket), запечатленная на дне Мексиканского залива. Родовое название этих губок происходит от греческого ευπλεκτος ‘хорошо сплетенный’, так как основу их тел составляет изящный ажурный скелет из переплетенных игл — спикул. За свою удивительную красоту эти губки получили поэтичное название «корзинка Венеры».

Корзинки Венеры относятся к классу шестилучевых, или стеклянных, губок и обычно достигают высоты 10–30 см, хотя встречаются экземпляры и до 1,3 м. Обитают эти губки в различных местах Мирового океана, в основном на глубине больше 500 м. В корзинке можно найти различных животных (присмотритесь внимательнее к фото и заметите прячущегося среди корзинок лобстера). Некоторые из них предпочитают жить вблизи скоплений губок, где всегда можно найти пищу, например в виде других жителей этих колоний, а для кого-то цветочная корзинка Венеры становится постоянным домом.

Стеклянные губки примечательны не только своей красотой и живущими в них креветками. В отличие от остальных классов — обыкновенных губок, известковых губок и Homoscleromorpha — тело стеклянных губок состоит не из отдельных клеток, а в основном из синцития — клеток, слившихся между собой в процессе развития. Синцитий пронизывает всё тело животного в виде переплетающихся тяжей и плоскостей, по которым происходит транспорт питательных веществ.

Как и другие губки, стеклянные губки — фильтраторы. Но если у других классов в фильтрации участвуют клетки-хоаноциты, имеющие на внешней стороне жгутик, окруженный микроворсинками (жгутик нагнетает воду с пищевыми частицами, которые захватываются микроворсинками), то у стеклянных губок — разветвленные клетки, формирующие не один комплекс со жгутиками и микроворсинками, а несколько. Некоторые авторы считают, что эти клетки также являются синцитием, хотя ядро в них только одно. Кроме того, в теле стеклянных губок есть отдельные одноядерные клетки археоциты (см. Archaeocyte). Эти клетки плюрипотентные: из них образуются разные типы клеток, в том числе сперматозоиды и яйцеклетки.

Еще одна особенность стеклянных губок понятна из их второго названия — шестилучевые: только у них есть спикулы с шестью лучами, которые расходятся перпендикулярно в разные стороны. У некоторых спикул есть дополнительные лучи, а у других один или несколько лучей могут отсутствовать.

Кроме того, спикулы не обязательно должны быть прямыми: они могут изгибаться, а также на них могут образовываться выросты.
.....
Спикулы могут лежать отдельно, а также могут сливаться и образовывать скелет, поддерживающий структуры губки. Вот как выглядит скелет цветочной корзинки Венеры:


Скелет цветочной корзинки Венеры (Euplectella aspergillum). Слева — внешний вид скелета, длина масштабного отрезка — 4 см; в центре — увеличенный фрагмент, видна регулярная организация в виде решетки, длина масштабного отрезка — 2 см. Справа — решетка, состоящая из переплетающихся спикул, длина масштабного отрезка — 2,5 мм. Изображение из статьи M. Fernandes et al., 2020. Mechanically robust lattices inspired by deep-sea glass sponges

Кроме того, есть спикулы, прикрепляющие губку к грунту. Например, у глубоководной губки Monorhaphis chuni есть только такая спикула. Размер спикул зависит от размера тела губки. Самый потрясающий пример — спикула всё той же M. chuni, которая может достигать в длину 2,7 метров при диаметре 1,1 см. Впрочем, учитывая, что самая крупная изученная спикула имеет возраст около 11±3 тысячи лет, у нее было достаточно времени, чтобы вырасти до такого размера.

Спикулы стеклянных губок, как и обыкновенных, состоят из аморфного кремнезема, который образуется путем конденсации ортокремниевой кислоты (см. Кремниевые кислоты), растворенной в морской воде.

Кремниевые слои, синтез которых катализируют силикатеины стеклянных губок, не сливаются, поэтому их можно использовать как своего рода годичные кольца и изучать, при каких условиях жила губка в тот или иной год. Например, при анализе той самой гигантской спикулы M. chuni ученые выяснили, что за 11 тысяч лет ее роста как минимум четыре раза температура воды рядом с губкой поднималась на несколько градусов.

В 2003 году ученые изучили свойства спикул цветочной корзинки Венеры и обнаружили, что их показатель преломления примерно такой же, как у оптоволоконного кабеля. Но в отличие от оптоволоконных кабелей спикулы удивительно устойчивы к повреждению и при этом чрезвычайно гибкие. Причина оказалась в распределении концентрических слоев полисиликатов. Наружные слои самые тонкие, поэтому при возникновении трещины повреждение не распространяется, так как между слоями присутствуют промежутки. Наконец, в отличие от оптоволоконных кабелей, для получения спикул не нужны высокие температуры. Стеклянные губки живут в довольно холодной воде. Поэтому не исключено, что когда-нибудь будет создан метод, «приручающий» белки-силикатеины для промышленного применения.

[ArefievPV]

Созданы первые синтетические бактериофаги
https://nplus1.ru/news/2021/01/28/synthetic-phages

Ученые из Португалии создали бактериофаги с укороченным геномом и описали их. Это первая успешная попытка создать синтетические бактериальные вирусы. Авторы надеются, что их исследование поможет при создании новых антибактериальных веществ. Работа опубликована в Scientific Reports.

Геномы бактериофагов небольшие, однако и в них встречаются участки (довольно большие, до 80 процентов генома), функции которых ученым пока неизвестны. Есть некоторая вероятность, что белки, кодируемыми неизвестными генами, могут быть вредными для человека. Кроме того, «целые» геномы неудобны для дальнейшего манипулирования, например, добавления необходимых для терапевтических целей генов. Удаление генов с неизвестными функциями позволило бы оставить только известные и безопасные гены и освободить место для новых.

Подобные опыты по минимизированию геномов уже проводились на живых объектах. Известность получили работы, выполненные под руководством биолога Крейга Вейнтера (J. Craig Venter) по созданию бактерии с минимальным геномом. Тогда ученые определили часть генов бактерии Mycoplasma mycoides как «не жизненно необходимые» и удалили их, получив, по сути, новый синтетический организм. Подробнее об этом направлении в синтетической биологии можно прочитать в материале «Прожиточный минимум».

ученые предположили, что из генома бактериофага PE3 можно вырезать два модуля генов, которые, вероятно, кодируют белки: с первого по пятый (gp1-gp5) и с шестого по двенадцатый (gp6-gp12). Авторы работы создали три варианта синтетического генома: в двух удалили по одному из модулей, и в третьем удалили оба

Чтобы лучше понять, как нокаут генов повлиял на бактериофаг, авторы работы сравнили его жизнеспособность с диким типом. Во-первых, фаговые бляшки уменьшились в размерах.

Во-вторых, не все синтетические бактериофаги смогли инфицировать те же штаммы синегнойной палочки, что и их предшественник. Только фаги с делецией модуля gp6-gp12 оказали значительный эффект на 7 из 28 клинических образцов P. aeruginosa, остальные инфицировали лишь 4 штамма. Кроме того, фаги с делецией gp6-gp12 демонстрировали темпы роста, схожие с РЕ3, в то время как фаги с делециями gp1-gp5 и gp1-gp12 отставали на пять и пятнадцать минут, соответственно.

В то же время, антибактериальная эффективность бактериофагов не пострадала от проведенных манипуляций. Это выяснилось в ходе in vitro экспериментов, где к бактериальным культурам, находящимся в экспоненциальной фазе роста, добавили бактериофаги. Соотношение вирусных частиц к клеткам составило 1:5. Все варианты фагов проявили одинаковую эффективность, значительных различий не наблюдалось ( р > 0,01). 

Также исследователи протестировали терапевтическую эффективность синтетических бактериофагов in vivo на Большой восковой моли (G. mellonella). После инфицирования бактериями, насекомым ввели растворы с бактериофагами. Спустя 24, 48 и 72 часа выживаемость в контрольной группе составила, соответственно, 20, 13 и 10 процентов. Получившая лечение бактериофагами группа продемонстрировала лучшие результаты (р < 0,05): их выживаемость составила 50 процентов спустя 24 часа, и 30 процентов спустя двое и трое суток. При этом со своей задачей одинаково хорошо справились и синтетические бактериофаги, и их природный предшественник.

P.S. Ссылка на упоминаемый в заметке материал:

Прожиточный минимум
https://nplus1.ru/material/2016/03/25/minimalgenome
Что такое минимальный геном и как он продвигает нас к созданию синтетической жизни

[ArefievPV]

В океане нашли огромный углеводородный цикл
https://www.popmech.ru/science/news-668383-v-okeane-nashli-ogromnyy-uglevodorodnyy-cikl/?from=main_3

Исследователи проанализировали процессы образования и деструкции углеводородов в глубинах океана и обнаружили огромный цикл, в результате которого в океан каждый год попадает в 500 раз больше нефти, чем от антропогенных катастроф.

Оказалось, что цианобактерии производят один из главных компонентов дизельного топлива в огромных количествах: в совокупности из-за них в океан поступает более 300 миллионов тонн этого вещества в год. Однако, рано бить тревогу, ведь все не так плохо.

В 2015 году международная группа исследователей опубликовала работу, которая демонстрировала, что углеводород пентадекан могут производить цианобактерии в лабораторных условиях. Исследователи предположили, что это соединение может играть важную роль в морских экосистемах.
 
Эта молекула, по-видимому, помогает уменьшить напряжение, которое на мембрану клетки оказывают ее внутренние компоненты. Поэтому пентадекан можно найти в хлоропластах, где наблюдается плотная упаковка внутренних элементов. Некоторые цианобактерии все еще синтезируют это соединение, в то время как другие микроорганизмы в океане потребляют его и извлекают энергию.
 
В новой работе исследователи решили выяснить, насколько много пентадекана образуется в океанах по всему миру, и как это влияет на экосистемы. Для этого ученые посетили Мексиканский залив в 2015 году, а затем Западную Атлантику в 2017 году, чтобы собрать образцы воды и провести эксперименты. Команда брала пробы морской воды из Саргассова моря, названного так в честь плавающих там водорослей саргассум.

Добыть пентадекан из глубин было непросто. Для этого авторам пришлось принять все меры предосторожности, так как это соединение довольно пожароопасно: оно является одним из главных компонентов дизельного топлива. Ученые проанализировали собранные образцы с помощью метода газовой хроматографии и смогли на основе полученных данных подсчитать общее количество этих углеводородов в мире.

Оказалось, что только два вида бактерий в совокупности производят по оценкам от 300 до 600 миллионов метрических тонн пентадекана в год. Все другие источники углеводородов в океане за аналогичное время добавляют в него «всего» 1,3 миллиона тонн. Несмотря на то, что образование пентадекана наблюдается в районах, охватывающих почти 40% площади Земли, он не накапливается в огромных количествах. В каждый момент времени количество этого вещества в океане не превышает 2 миллионов тонн. Все из-за того, что оно быстро расходуется другими бактериями.

Теперь ученые стараются понять, могут ли те же микроорганизмы помочь ликвидировать последствия нефтяных пятен, то и дело создаваемых человеком.

Научная работа опубликована в журнале Nature Microbiology.

[ArefievPV]

У атрибактерий из горячих источников есть внутренняя цитоплазматическая мембрана
https://elementy.ru/novosti_nauki/433764/U_atribakteriy_iz_goryachikh_istochnikov_est_vnutrennyaya_tsitoplazmaticheskaya_membrana

За последние годы геномные методы позволили обнаружить большое количество новых таксонов микроорганизмов и вирусов. При этом изучение их биологии и строения происходит чрезвычайно медленно, в частности, потому что исследователи не знают, как их выделить и как культивировать в условиях лаборатории. Тип-кандидат Atribacteria обнаружили в горячих источниках Йеллоустона еще в 1998 году с помощью исследования метагеномов, но только сейчас японским ученым удалось вырастить культуру этих бактерий и изучить их строение. Оказалось, что атрибактерии имеют необычную многослойную структуру и большое количество генов, связанных с формированием и функционированием мембран. Одна из интерпретаций находки — эта многослойная структура является прообразом ядра. Возможно, атрибактерии немного приблизят ученых к пониманию того, как возникли ядерные организмы.

Рис. 3. Варианты интерпретации результатов исследования атрибактерий. Слева: строение грамотрицательной бактерии. В центре клетки располагается нуклеоид (nucleoid, обозначен синим цветом), находящийся в цитоплазме (cytoplasm). Цитоплазму окружает цитоплазматическая мембрана (CM, cytoplasmic membrane, красный цвет). Окружает клетку наружная мембрана (OM, outer membrane, черный цвет). Между наружной и цитоплазматической мембраной располагается периплазм. В середине: варианты строения A. laminatus. Сценарий 1 предлагают авторы обсуждаемого исследования: в центре клетки располагается схожая с ядром структура (nucleus-like compartment), ограниченная внутренней цитоплазматической мембраной (ICM, intra-cytoplasmic membrane, желтый цвет). Сценарий 2 — строение атрибактерий схоже со строением грамотрицательных бактерий; самый наружный слой — S-cлой, под которым находится наружная мембрана бактерии и цитоплазматическая мембрана, разделенные объемным периплазматическим пространством (серый цвет). Сценарий 3 — цитоплазматическая мембрана имеет глубокие углубления, которая разделяет клетку на отдельные, но открытые компартменты. Справа: строение эукариотической клетки. Желтым цветом изображена оболочка ядра (nuclear envelope), ядро — nucleus, генетический материал (nucleoid) обозначен синим цветом. Верхний ряд изображений — показано сечение клетки в плоскости X-Y, нижний ряд — сечение клетки в плоскости X-Z.

Рис. 4. Сравнение строения клетки грамотрицательной бактерии, планктомицетов и эукариотических клеток. a — клетка грамотрицательной бактерии окружена наружной мембраной (outer membrane), клеточной стенкой из пептидогликанов (PG) и цитоплазматической мембраной (cytoplasmic mebrane). ДНК входит в состав нуклеоида (nucleoid) и занимает большую часть цитоплазмы (cytoplasm). b — клетка планктомицета. Ранее предполагалось, что клеточная стенка планктомицетов (cell wall) состоит из белков, а не пептидогликанов. Наружная мембрана считалась цитоплазматической, а дополнительная внутренняя цитоплазматическая мембрана (ICM, intracytoplasmic membrane) разделяла цитоплазму на парифоплазм (paryphoplasm) и пиреллюлосому (pirellulosome). Планктомицеты имеют плотный нуклеоид, поэтому предполагалось, что у планктомицета Gemmata obscuriglobus он окружен дополнительной двухслойной мембраной, как у ядра эукариот (membrane-enclosed nucleus). Кроме того, сообщалось о способности планктомицетов к эндоцитозу макромолекул (endocytotic vesicles, эндоцитозные пузырьки). У некоторых планктомицетов также присутствует анаммоксосома (anammoxosome), необходимая для получения энергии с помощью окисления аммиака. с — клетка эукариот с мембранными органоидами: митохондрией (mitochondrion), аппаратом Гольджи (Golgi apparatus), ядром в оболочке с ядерными порами (nuclear pores), эндоплазматическим ретикулумом (endoplasmic reticulum) и эндоцитозными пузырьками. d — пересмотренная модель строения клеток планктомицетов. Клетка имеет строение, схожее с клетками грамотрицательных бактерий. Часто цитоплазматическая мембрана образует глубокие углубления. По крайней мере у изученных планктомицетов, в том числе Gemmata obscuriglobus, крупные молекулы не попадают в клетку путем эндоцитоза. Рисунок из статьи C. Boedeker et al., 2017. Determining the bacterial cell biology of Planctomycetes

Тем не менее, исследователи, выделившие A. laminatus, осторожны в интерпретации своих наблюдений, и наверняка уже готовят новые публикации, раскрывающие секреты атрибактерий.

[ArefievPV]

Бактерии научились изменять форму, чтобы избегать антибиотиков: неожиданное открытие
https://www.popmech.ru/science/news-668523-bakterii-nauchilis-izmenyat-formu-chtoby-izbegat-antibiotikov-neozhidannoe-otkrytie/?from=main_big

Война бактерий и антибиотиков — это постоянная битва за выживание. Недавно ученые обнаружили ранее неизвестный, но при том чрезвычайно эффективный способ, с помощью которого бактерии сводят на нет воздействие лекарств.

Ученые доказали, что бактерии научились изменять форму, избегая тем самым антибиотиков и повышая свои шансы на выживание
 
Если вы бактерия, которая просто пытается выжить в мире, полном антибиотиков, нужно всегда держать пару тузов в рукаве. Можно вступить в контакт с другой бактерией, чтобы получить новый полезный генетический материал. А еще можно генетически мутировать из поколения в поколение и надеяться, что в череде мутаций найдется средство от опасностей внешней среды.
 
Ученые давно знают об этих стратегиях, но недавно группа исследователей обнаружила новый, пугающе простой и эффективный способ, которым бактерии избегают антибиотиков в организме человека — путем изменения формы.
 
«Мы выяснили, что после удаления антибиотика из среды клетки Caulobacter crescentus могут восстанавливать первоначальную форму всего через несколько поколений», — пишет команда в своей новой статье.
 
Нечто подобное другая группа исследователей обнаружила еще в 2019 году: бактерии меняли форму (превращались в нечто более крупное), чтобы избежать воздействия антибиотиков в организме человека. Но в том случае бактерии сбрасывали целые клеточные стенки, чтобы избегать контакта с лекарствами. В новом же исследовании ученые обнаружили, что клеточная стенка осталась нетронутой, но довольно сильно растягивалась, образуя новую С-образную форму.

После 10 поколений низкого воздействия антибиотиков C. crescentus начал физически изменяться — расширяться и изгибаться, принимая характерную форму полумесяца. В ходе исследования ученые выяснили, что подобного изменения было достаточно, чтобы скорость роста бактерий поднялась почти до уровней, когда антибиотика в среде еще не было – то есть контрмера оказалась эффективной.

Но почему? Исследователи считают, что увеличение ширины клетки (и, следовательно, ее объема) помогает уменьшить количество антибиотиков внутри бактерии. Кривизна и ширина клетки снижают соотношение поверхности к объему, пропуская меньше антибиотиков через поверхность.

Поскольку устойчивость к антибиотикам и супербактерии проявляются у многих видов вирулентных микробов, понимание механизмов возникновения этой устойчивости невероятно важно. Даже понимание такой простой вещи как влияние формы клетки на ее выживаемость может помочь избежать бесчисленных смертей уже в самом ближайшем будущем.

[ArefievPV]

Цианобактерии превратили в заводы для биопластика
https://www.popmech.ru/science/news-668503-cianobakterii-prevratili-v-zavody-dlya-bioplastika/?from=main_middle

Исследователи из Тюбингенского университета впервые смогли изменить метаболизм цианобактерий так, чтобы они могли производить биопластик в промышленных масштабах.

Цианобактерии могут создавать пластик в качестве побочного продукта своей жизнедеятельности. Как оказалось, обычно эти микроорганизмы ограничивают производство биопластика. Но ученые нашли способ снять эту блокировку и превратить эти создания в настоящие «биологические заводы»

Сегодня ежегодно производится около 370 миллионов тонн пластмасс. Согласно прогнозам, в следующем десятилетии мировое производство этих материалов увеличится еще на 40%. С одной стороны, пластик недорогой и может использоваться во множестве областей. С другой стороны, пластик плохо перерабатывается и является причиной увеличения количества отходов и смертей животных.
 
Решить эти проблемы может помочь штамм цианобактерий с удивительными свойствами. Цианобактерии рода Synechocystis продуцируют полигидроксибутират (ПГБ) — один из видов биопластика. ПГБ можно использовать как замену полипропилену, но в отличие от своего «собрата» этот материал быстро разлагается в окружающей среде. Но до сих пор получать такой биопластик в промышленных масштабах было невозможно: бактерии вырабатывают целевое вещество в очень небольших количествах.
 
Ученые из Тюбингенского университета смогли найти у бактерий систему контроля, которая ограничивает поступающий в клетку поток углеродсодержащих соединений, из которых синтезируется ПГБ. После удаления соответствующего регулятора и нескольких генетических изменений количество биопластика, продуцируемого бактериями, сильно выросло и в конечном итоге составило более 80% от общей массы клетки.
 
Поскольку цианобактерии нуждаются только в воде, CO2 и солнечном свете, исследователи считают, что эти микроорганизмы являются идеальными кандидатами для устойчивого производства полигидроксибутирата в промышленных масштабах.
 
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

[ArefievPV]

Ученые выяснили, как некоторые пауки поднимают на паутине добычу в 50 раз больше их веса
https://www.popmech.ru/science/news-668743-uchenye-vyyasnili-kak-nekotorye-pauki-podnimayut-na-pautine-dobychu-v-50-raz-bolshe-ih-vesa/?from=main_big

Пауки Steatoda triangulosa способны поймать в паутину и поднять на высоту добычу массой в 50 раз больше массы самого паука. Их жертвами могут стать ящерицы или даже небольшие млекопитающие. До настоящего времени исследователи не понимали, как паукам это удается. В новом исследовании ученые записали на видео и проанализировали процесс захвата добычи.

Крошечные пауки Steatoda triangulosa могут поднимать на паутине ящериц и даже мелких млекопитающих. Как им это удается?
 
В новом исследовании, опубликованном в Journal of the Royal Society Interface, ученые изучили подъемную силу пяти разных пауков двух видов: Steatoda paykulliana и Steatodatriangulosa. Исследователи поместили паука и таракана (Blaptica dubia) в пластиковую коробку и вели запись происходящего. Стены коробки были покрыты черной бумагой, чтобы камере было проще заснять все, что происходит с тонкими нитями паутины в момент ловли. Пауки в среднем весили 0,22 грамма, в то время как тараканы – почти в три раза больше – 0,6 грамма.
 
Сначала паукообразные хищники обездвиживали добычу, отравляя ее и оборачивая паутиной. Затем тип их паутины поменялся – она начала выделяться из большой ампулярной железы. Эта паутина, подобно резинке, натягивалась, а паук прикреплял один ее конец к добыче, а другой – к своему логову. Используя только этот тип паутины, хищник делал это снова и снова, пока жертва не поднималась на необходимую высоту силой натяжения. Как показала запись, пауки подняли тяжелых тараканов на высоту до 8 сантиметров.
 
Исследователи утверждают, что их результаты предоставляют «дополнительные доказательства сильной роли паутины в эволюции пауков, особенно того, как пауки могут растягивать паутину и использовать ее в качестве внешнего инструмента для преодоления ограничений своих мышц и захвата добычи с большой массой, например, в 50 раз больше массы паука».

P.S. На другом ресурсе есть это видео:

[ArefievPV]

Древние рыбы заранее подготовились к выходу на сушу

https://www.nkj.ru/news/40705/

Гены, помогающие современным древним рыбам дышать воздухом, похожи на гены, которые помогают формироваться нашим лёгким.

Наземные позвоночные произошли от рыб, которые решили выйти на сушу примерно 370 млн лет назад. Что нужно рыбе, чтобы так радикально сменить место жительства? Много чего нужно, для начала – лёгкие, чтобы дышать, и ноги, чтобы двигаться – дышать жабрами и ходить на плавниках на суше невозможно. Это довольно серьёзные изменения, и рыбы к ним подготовились сильно загодя.

Самих древних рыб мы изучить не можем. Зато сейчас у нас есть несколько групп рыб, которые очень похожи на тех древних. С одной стороны, это лопастепёрые рыбы – знаменитые латимерии и двоякодышащие. У них грудные плавники напоминают лапы, а двоякодышащие вообще дышат лёгкими, которые отходят от пищевода.

С другой стороны, у нас есть осетрообразные, многопёры и ильная рыба. Многопёры в чём-то схожи с двоякодышащими: у грудных плавников есть мясистая лопасть, делающая их похожими на прото-лапу, и дышат они не только жабрами, но и плавательным пузырём, подобным лёгкому. Ильная рыба, или амия – тоже живое ископаемое, способное дышать атмосферным воздухом с помощью пузыря-лёгкого.

Многопёры, осетры, ильная рыба относятся к очень большому классу Лучепёрых рыб. Лучепёрые – это и знакомые нам сельдь, скумбрия, карп, лосось, и глубоководные удильщики, и луны-рыбы – в общем, подавляющее большинство рыб, живущих на свете. Но все они эволюционно моложе, чем вышеупомянутые многопёры с осетрами. (Для полноты картины можно вспомнить про акул и скатов, которые ещё более древние, чем осетры, латимерии и многопёры. Но акулы и скаты представляют собой вообще отдельную группу рыб, которые выйти на сушу никогда не помышляли.)

Сотрудники Института гидробиологии Китайской академии наук, Института палеонтологии позвоночных и палеоантропологии Китайской академии наук и других научных центров проанализировали гены нескольких древних лучепёрых рыб – многопёра, ильной рыбы и других, чтобы в результате охватить все основные линии развития лучепёрых рыб. В статье в Cell говорится, что гены, которые дают древним рыбам своеобразный грудной плавник и плавательный пузырь, который работает как лёгкие, похожи на гены, которые выполняют ту же работу в нашем организме.

Например, у людей в ДНК есть участки, от которого зависит формирование подвижных суставов (локтевого, коленного и др.). И у многопёра бишира есть похожие участки ДНК, которые помогают сформировать подвижное сочленение между одним из хрящей плавника и его радиальными лучами. То же самое касается генетической информации, связанной с нашими лёгкими и дыхательными пузырями древних рыб.

При этом любопытно, что большинство современных рыб утратило информацию, необходимую для формирования подвижного сустава в плавнике. А вот гены, управляющие формированием плавательного пузыря, остались. Но только у более эволюционно молодых рыб они стали работать иначе: дыхательная функция у пузыря исчезла, рыбы стали дышать только жабрами, пузырь остался  только для плавучести. То есть получается, что это не лёгкие наземных животных образовались из пузыря, а пузырь карпов, сельдей, окуней и т. д. сформировался из «прото-лёгкого» – гибридного органа, который помогал и дышать, и плавать. Так что когда рыбы стали выходит на сушу, появление лёгких означало в эволюционно-генетическом смысле «возвращение к корням».

Самое важное, что древние лучепёрые рыбы появились около 420 млн лет назад, то есть за 50 млн лет до выхода рыб на сушу. Скорее всего, те, кто выходил на сушу, были похожи на кого-нибудь вроде многопёра. Им не нужно было ждать каких-то новых генетических изменений, которые должны были возникнуть с нуля: в геноме была информация и для подвижных суставов в конечностях, и для формирования лёгких. Конечно, лёгкие и конечности требовалось довести до ума, но, так или иначе, какой-то генетический черновик для этого уже был.

Такие заготовки на самом деле не редкость в эволюции. Например, известно, что у примитивных позвоночных во время эмбрионального развития гены работают так, как если бы их мозг был намного сложнее, чем он есть на самом деле – то есть у них есть генетические чертежи, которые по ходу эволюции позволят сделать намного более сложный мозг. Другой пример – несколько лет назад мы писали, что у некоторых одноклеточных организмов есть прототип молекулярного «пульта управления», с помощью которого многоклеточные управляют своими клетками.

P.S. Ссылки на информацию, о которой упоминается в заметке:

Мозг позвоночных формируется по заранее созданным чертежам
https://www.nkj.ru/news/24918/
У примитивных позвоночных во время эмбрионального развития гены работают так, как если бы их мозг был намного сложнее, чем он есть на самом деле.

Как многоклеточные научились управлять своими клетками
https://www.nkj.ru/news/29765/
Прототип молекулярного «пульта управления», с помощью которого многоклеточные управляют своими клетками, есть и у некоторых одноклеточных.

[ArefievPV]

Ласка в дупле
https://elementy.ru/kartinka_dnya/1308/Laska_v_duple

Ласка (Mustela nivalis) — небольшое млекопитающее семейства куньих, вес этих милых пушистиков не превышает 100 грамм, а длина колеблется от 165 до 217 мм. Самцы несколько крупнее самок, других внешних различий нет. В теплое время года окрас спинной стороны бывает всех оттенков коричневого, а брюшко светлое. Зимой же ласки меняют свой мех на белоснежный. Отличить ласку от горностая (Mustela erminea) просто: ласка чуть меньше и кончик хвоста у нее не черный (ради этого черного кончика хвоста из горностаев и делали королевские мантии).

Несмотря на свой маленький рост и симпатичный внешний вид ласка — упорный и целеустремленный хищник. Наверняка вы помните нашумевшее фото ласки верхом на зеленом дятле: она не пожелала оставить добычу даже в воздухе. Из-за ускоренного метаболизма (у мелких животных высокий расход энергии) ласкам необходимо в день съедать количество пищи около половины их собственного веса. Питается зверек исключительно другими животными, и в случае недостатка любимого корма — различных мышей и полевок — может переходить на землероек, птиц, земноводных, пресмыкающихся и рыб.

Охотничий участок ласки составляет в среднем 6 км², что очень много для такого маленького животного. Ласка может охотиться в течение всего дня и ночи. Этот небольшой хищник может посягнуть даже на добычу значительно крупнее себя — например, на крольчонка. В Великобритании доля зайцев и кроликов в рационе ласки составляет до 25%. Многие ученые, занимающиеся изучением куньих, и в частности ласок, сравнивают их охотничьи навыки, их скорость и безжалостность с высшими хищниками — медведями, рысями, крупными кошками.

Ласка охотится на крольчонка в Уэльсе, Великобритания. Не переживайте, крольчонку удалось спастись. Всё же маленькой ласке сложно прокусить череп такого крупного зверя

[ArefievPV]

Грибы жили на суше уже 635 миллионов лет назад
https://elementy.ru/novosti_nauki/433767/Griby_zhili_na_sushe_uzhe_635_millionov_let_nazad

Китайские палеонтологи описали нитчатые микрофоссилии возрастом 635 млн лет, найденные в формации Доушаньтуо. Морфологические признаки этих нитчатых организмов указывают на то, что это грибы со спорами, скорее всего, зигомицеты. Но важнее даже не столько таксономическое положение этих грибов, сколько их местообитание. Опираясь на минералогию образцов и их расположение в древних карстовых полостях и трещинах, авторы делают вывод об их наземной, а не морской природе. А это означает, что в раннеэдиакарское время грибы уже освоили сушу, и вместе с бактериями и водорослями составляли наземный биоценоз. Прежде считалось, что грибы появились на суше примерно 470 млн лет назад.

Наших читателей такой «молодой» возраст, вероятно, разочарует, потому что уже известны грибы гораздо более древние, населявшие планету более 1 млрд лет назад (см. Ископаемые грибы возрастом миллиард лет близки к точке расхождения грибов и животных, «Элементы», 22.05.2019). В чем же тогда наш интерес? А в том, что новые ископаемые грибы жили не в море, а на суше. А это значит, что 635 млн лет назад суша уже была заселена грибами: водоросли, бактерии, одноклеточные эукариоты на ней уже обитали, а теперь выясняется, что вместе со всей этой микробратией сосуществовали и грибы.

авторы, дав волю воображению, широкой кистью рисуют интересную картину раннеэдиакарских эволюционных событий в жизни нашей планеты. 635–600 млн лет назад суша начинает активно заселяться, за счет биоэрозии сильно ускоряется терригенный снос, в результате морские воды обогащаются органикой и необходимыми химическими элементами, что в свою очередь благоприятствует развитию фитопланктона... В ископаемой летописи появляются первые губки, а через 20 млн лет за ними подтягиваются и эдиакарские фрактофузусы (см. Fractofusus и новость У эдиакарских организмов фрактофузусов выявлено два способа размножения, «Элементы», 11.08.2015) со своими непонятными перистыми родичами рангеоморфами (см. Rangeomorph). Зеленые растения появятся на планете еще не скоро, через 100 млн лет (напомню, что наземная флора появилась на суше около 530 млн лет назад, см. P. K. Strother, 2016. Systematics and evolutionary significance of some new cryptospores from the Cambrian of eastern Tennessee, USA). Но микоризообразующие грибы уже будут ждать, чтобы помочь новым колонизаторам усваивать элементы из почвы.

Но для того, чтобы более уверенно определить степень влияния наземной биоты на события в море в те древние времена, нужно гораздо больше находок наземной биоты, нужны расчеты терригенного сноса, нужны изотопные данные по наземной органике и побольше надежных данных о почвах того периода. Так что обсуждать обрисованные авторами работы события пока преждевременно. Но факт в копилку наших знаний уже положен: грибы заселили сушу не позже 635 млн лет. А, может быть, еще раньше?

P.S. Ссылки в дополнение:

Грибы, которым миллиард лет
https://elementy.ru/novosti_nauki/430948/Griby_kotorym_milliard_let

Ископаемые грибы возрастом миллиард лет близки к точке расхождения грибов и животных
https://elementy.ru/novosti_nauki/433481/Iskopaemye_griby_vozrastom_milliard_let_blizki_k_tochke_raskhozhdeniya_gribov_i_zhivotnykh

[ArefievPV]

Зубы паку
https://elementy.ru/kartinka_dnya/1302/Zuby_paku

На фото — рыба паку (Piaractus sp.) из семейства пираньевых (Serrasalmidae), растительноядный родственник знаменитых амазонских хищниц. Своими зубами, напоминающими человеческие, паку раскалывает орехи. Но не пытайтесь повторить этот трюк — он выполнен профессионалом. Мало того что зубы паку расположены в два ряда и на верхней, и на нижней челюсти, так они еще и усилены железом. И меняет паку зубы многократно, да не по одному, а сразу на всей половине челюсти.

В русскоязычной литературе название «паку» используют для четырех видов из двух родов — красного паку (Piaractus brachypomus), паку реки Парана (P. mesopotamicus), паку реки Ориноко (P. orinoquensis) и бурого паку (Colossoma macropomum). Это самые крупные представители семейства пираньевых (которое включает 17 родов рыб). Они обитают в пресных водах тропической Южной Америки и вырастают длиной до метра. Взрослые особи Piaractus sp. отличаются друг от друга размером тела и количеством и размером боковых чешуек, поэтому вид на главном фото определить затруднительно.

Примечательно, что разница в строении челюстного аппарата у хищных и травоядных рыб семейства пираньевых и у хищных и травоядных млекопитающих аналогична. Это касается длины нижней челюсти, анатомии и крепления приводящих мышц, стратегии укуса. У хищников эти различия направлены на увеличение силы укуса для удержания добычи. Челюсти смыкаются по принципу ножниц: от заднего края к переднему. У травоядных короче височная мышца и зубная кость, а следовательно, и сами челюсти. Такое строение способствует более быстрому смыканию челюстей по типу тисков: верхние и нижние зубные ряды касаются пищи одновременно. Сильная жевательная мышца крепится к скуловой дуге и на боковой стороне нижней челюсти. Это ограничивает угол раскрытия рта, и, соответственно, размер возможной добычи. Поэтому щелкать орехи могут только взрослые паку родов Piaractus и Colossoma — это одни из самых крупных рыб на Амазонке.

Чемпионом по силе укуса среди пираньевых была ископаемая мегапиранья Megapiranha paranensis, переходный вид от травоядного предка к современным таксонам. Предположительно, своими мощными челюстями она крушила панцири черепах и древних рыб плакодерм. Сила укуса современного чемпиона среди позвоночных — ромбовидной пираньи (Serrasalmus rhombeus) — в четыре раза уступает мегапиранье, однако превышает в 30 раз вес самой рыбы, что с поправкой на размер мощнее, чем у любой другой современной рыбы или миссисипского аллигатора.

Как и у млекопитающих, зубы паку состоят из пульпы и дентина, а также эмалоида (аналога эмали у хрящевых и костистых рыб и земноводных), но, в отличие от них, сверху покрыты кутикулой — еще одним твердым слоем. В составе и кутикулы, и эмалоида очень велика доля гидроксиапатита. Часть ионов кальция в нем замещена на ионы железа, поэтому кромка зубов желтая, оранжевая или коричневая, а сами зубы более устойчивы к истиранию и появлению трещин от твердой пищи.

Кроме того, зубы паку сцеплены между собой по всей стороне зубного ряда. Это равномерно распределяет нагрузку на все зубы с одной стороны, поэтому давление на каждый отдельный зуб в сцепке меньше, чем в случае свободных зубов. У пираний зубы тоже сцеплены, но по другому механизму. Он направлен на то, чтобы предотвратить травму отдельного зуба при удержании добычи.

Зубы нужны не только крепкие, но и острые. Поэтому у пираньевых они часто сменяются, причем из-за сцепления — одновременно сразу все на одной стороне челюсти. Новые образуются в лакунах костной ткани. По мере их увеличения и движения наверх пульпа функционального зуба рассасывается, и новый зуб входит в образовавшуюся полость. Смена происходит поочередно на правой и на левой стороне. Новые зубы растут параллельно c обеих сторон, но асинхронно: с одной стороны они больше по размеру и сильнее минерализованы, поэтому вылезают раньше. Первый и второй ряд заменяются одновременно. Пока новые зубы не выросли достаточно, рыбы едят одной стороной зубного ряда. Это длится 5–7 дней, после чего зубы должны прослужить рыбе 65–130 дней в зависимости от вида и рациона.

Паку из родов Piaractus и Colossoma примечательны не только своим размером и зубной системой. Эти рыбы — важный элемент экосистемы: поедая фрукты, орехи и/или семена пальм, они распространяют те виды, за которые не возьмутся более мелкие рыбы. Дело в том, что часть семян умудряется проскочить через желудочно-кишечный тракт неповрежденными, да еще и увеличить всхожесть (возможно, это происходит под действием ферментов, нарушающих фазу покоя). Ихтиохория хороша тем, что во время миграции рыбы увеличивают ареал растений, перенося посевной материал на большие расстояния, причем не только вниз, но и вверх по течению. Плюс это один из немногих способов распространения прибрежных видов с тяжелыми, тонущими семенами.

Паку находят пищу, реагируя на шум падающих плодов, а возможно, и на запах фруктов. Да, у рыб отличное обоняние (см. детский вопрос Почему нет обоняния у рыбы?), присмотритесь к главному фото: круглые отверстия рядом с глазами — это ноздри. Они разделены кожистым клапаном на два отверстия, через одно вода входит, через другое — выходит, омывая обонятельный мешок. Рацион паку зависит от сезона; кроме плодов они могут питаться водными растениями, улитками, мелкими ракообразными. Питание молоди зависит еще и от стадии развития, но, в любом случае, орехи им пока не по размеру.