Для плодовой мухи обыкновенной D. melanogaster, ответ кроется в хеморецепторе Gr32a, расположенном на сенсорных нейронах передней ноги самца мухи. «В природе эта сенсорная система предотвратит создание гибридов, которые могут не выжить или не могут размножаться, тем самым помогая виду сохранить свою идентичность», — сказал старший автор Нирао М. Шах, доктор медицинских наук, доцент анатомии UCSF.
О работе сообщается в статье, опубликованной на сайте Cell 27 июня 2013 г.
Исследователи обнаружили, что перед спариванием самец приближается к предполагаемой самке и несколько раз хлопает ее по бокам передней ногой. «По мере того, как он это делает, он использует Gr32a, чтобы обнаружить или фактически попробовать на вкус неприятные на вкус восковые химические вещества на кутикуле или внешней коже особей других видов, — сказал соавтор Девананд С. Маноли, доктор медицины, доктор философии, научный сотрудник UCSF по анатомии и научный сотрудник по детской и подростковой психиатрии. "Если предполагаемый партнер не принадлежит к тому же виду, и Gr32a активирован, брачный ритуал прекращается прямо на этом, даже если самец никогда раньше не встречал самку другого вида."
Исследователи также обнаружили, что если нейроны Gr32a самцов мух активируются напрямую, у этих самцов мух может подавляться ухаживание за другими видами. «Эти и другие результаты показывают, что нейроны Gr32a необходимы с точки зрения наличия этого вкусового рецептора и достаточны с точки зрения их активности, чтобы не дать самцам ухаживать за самками других видов», — сказал Маноли.
Примечательно, сказал Шах, что Gr32a опосредует отторжение большого числа видов плодовых мух, которые в последний раз имели общего предка с D. melanogaster от двух до 40 миллионов лет назад.
"Действительно, D. самцы melanogaster, лишенные Gr32a, будут пытаться спариваться с плодовыми мушками других видов, даже если эти виды в два-три раза больше и выглядят иначе для неподготовленного человеческого глаза », — сказал Шах. "Конечно, эти другие виды отвергают такие попытки спаривания."
Точно так же, когда часть передней ноги с нейронами Gr32a удаляется хирургическим путем, сказал Маноли, самец будет ухаживать за самками других видов. "Мы также наблюдаем такое поведение, когда удаляем передние конечности самцов видов, которые тесно связаны с D. melanogaster, — сказал он, — но не в D. virilis, который является более отдаленным видом. Возможно, что D. virilis использует другой механизм для различения других видов — мы пока не знаем."
Еще одно открытие в D. melanogaster, сказал Шах, заключается в том, что нейроны в мозгу мух, экспрессирующие специфические для самцов версии гена, известного как бесплодный, «похоже, связаны с этими нейронами, чувствительными к Gr32, на передней лапе. Итак, мы начали определять не только сенсорный путь, но и центральные компоненты нервной цепи, которая активируется, когда самец встречает животное из другого вида."
Интересно, сказал Шах, что самцы используют механизм, который «похож, но не идентичен», чтобы препятствовать ухаживанию за другими самцами того же вида. «Эта система включает в себя дополнительные хеморецепторы и нейронные пути, что имеет смысл, — сказал он, — поскольку, если вы мужчина, другие самцы вашего собственного вида могут конкурировать с вами за пищу, территорию и партнеров, и поэтому вы будете выявление их по разным причинам, в разных обстоятельствах."
Ученые были удивлены, обнаружив, что хотя буква D. самка melanogaster имеет нейроны, которые экспрессируют Gr32a, она не использует их для отторжения самцов других видов. «В этом есть интуитивный смысл, — сказал Шах. "Самцы и самки разработали разные системы для отказа от потенциальных партнеров от других видов, потому что у них разные биологические потребности для воспроизводства.
Самки вкладывают гораздо больше энергии в создание потомства — например, откладывают яйца или вынашивают детенышей в утробе у млекопитающих. Самцы производят сперму в больших количествах, что не так дорого с точки зрения энергетики."
Маноли отметил, что у других животных могут быть эквивалентные механизмы для различения представителей других видов, «но они будут специфичными для экологических ниш этих видов, то есть того, как они функционируют в своей среде.
Грызуны, например, как и мухи, в первую очередь используют запах, чтобы находить себе пару и пищу, а также избегать хищников. Некоторые виды рыб используют электрические импульсы. Многие приматы, в том числе люди, полагаются на зрительные и слуховые сигналы."
Известно, что дрожжи используют хемосенсорные механизмы, чтобы не инициировать половые способы размножения с другими видами дрожжей, — сказал Шах, сославшись на новаторские исследования дрожжей, проведенные преподавателями UCSF, в том числе Дэвидом Джулиусом, доктором философии, и покойной Айрой Херсковиц, доктором философии.
Для Шаха и его команды следующим шагом будет исследование того, используют ли другие виды плодовых мух Gr32a, чтобы отличить другие виды от их собственных. «Мы хотим увидеть, сохраняется ли эта система у родственных видов», — сказал он.
Соавторы исследования — Пу Фань и Усама М. Ахмед из UCSF; И Чен из Медицинского института Говарда Хьюза, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе; Неха Агарвал, Сара Квонг, Аллен Дж. Кай, Джеффри Нейтц, доктор философии, и Адам Ренсло, доктор философии, UCSF; и Брюс С. Бейкер, доктор философии, исследовательский кампус HHMI Janelia Farm, Эшберн, Вирджиния.
Исследование было поддержано фондами Китайского совета по стипендиям, HHMI, гранта NARSAD, Программы передовых биомедицинских исследований UCSF, Национального научного фонда, Фонда Берроуза Велкома, Медицинского фонда Эллисона, Фонда нейробиологии Макнайта и Фонда Слоуна.