Dołącz do czytelników
Brak wyników

Temat numeru

28 marca 2019

NR 32 (Marzec 2019)

DROSOPHILA MELANOGASTER – mały owad, wielkie możliwości

0 140

Kto z nas nie zna małej muszki owocówki pojawiającej się znikąd w każdym miejscu, gdzie znajdują się dojrzałe owoce? Owad ten jest tak rozpowszechniony, że długo był uznawany za żywy dowód abiogenezy, czyli samorództwa, wydawać się bowiem mogło, że powstaje samoistnie z resztek owoców i warzyw.

W masowości występowania Drosophila melanogaster, bo taka jest łacińska nazwa tego owada, nie ma nic tajemniczego. Wręcz przeciwnie, to człowiek przyczynił się do jego rozpowszechnienia na niemal wszystkich kontynentach. Gatunek tak często spotykany w kuchniach i laboratoriach na całym świecie, początkowo zasiedlał jedynie tropikalne lasy. Pierwsze populacje drozofili wywodzą się podobnie jak ludzie z Afryki okołorównikowej i wraz z ludźmi ruszyły na podbój świata. Jest to bowiem gatunek komensalny korzystający z pozostałości pożywienia człowieka (Keller, 2012). Sukces Drosophila melanogaster jako komensala i jego popularność w roli organizmu modelowego mają te same przyczyny: krótki cykl rozwojowy, zdolność do produkowania licznego potomstwa i wykorzystywanie różnorodnych źródeł pożywienia. Drozofila od początku swojej kariery w badaniach biologicznych jest uważana za organizm modelowy najwyższej klasy. 

Czym są organizmy modelowe

W biologii pojęcie organizmu modelowego opiera się na założeniu, że niektóre gatunki mogą być badane w celu uzyskania wiedzy o innych gatunkach. Organizmy modelowe oferują standardy będące podstawą do testowania hipotez, których nie można bezpośrednio zweryfikować np. na ludziach. 
Drozofila spełnia te warunki z nawiązką. Jej prosty do obserwacji dymorfizm płciowy ułatwia dobieranie par hodowlanych, a pożywka oparta na drożdżach jest tania i łatwa do przygotowania. Cykl rozwojowy trwa około 14 dni w temp. 20°C i wilgotności 60% od pojawienia się jaja do powstania dorosłych owadów (rys. 1). Jedna para rodzicielska umieszczona w pojemniku z pożywką daje kilkadziesiąt osobników potomnych. 
Wszystko to sprawia, że na niewielkiej powierzchni można z łatwością przeprowadzić doświadczenie wyjaśniające na przykład sposób, w jaki dziedziczą się cechy sprzężone z płcią, lub wykazać, że nawet tak prosty organizm jak muszka wykształci zależność od substancji psychoaktywnych (nikotyna, kofeina, etanol). Otrzymane wyniki dają się z powodzeniem zastosować w edukacji dzieci i młodzieży z wykorzystaniem nauczania problemowego. Nauczanie problemowe ma kilka odmian, jednak w naukach przyrodniczych najczęściej wykorzystywana jest metoda odkrywcza. Skupia się ona na odkrywaniu i opisywaniu powiązań między zjawiskami. Uczniowie w pracowni biologicznej mogą założyć hodowlę D. melanogaster z pożywkami wzbogacanymi różnymi substancjami. Dobrze zaplanowany eksperyment pozwala zaobserwować szkodliwy wpływ używek na muszkę owocową, a wysoka koncentracja tych substancji w pożywce wywołuje śmierć większości osobników w populacji (patrz: pomysł na lekcję). Przeprowadzenie takiego doświadczenia pobudza ucznia do własnych przemyśleń i refleksji. Samodzielne wnioskowanie o szkodliwości jakiegoś czynnika jest zawsze bardziej przekonujące i ma większe szanse na zmianę światopoglądu uczniów i ich podejście np. do spożywania substancji psychoaktywnych.
 

Wspólnymi cechami sprawiającymi, że dany gatunek staje się modelem w badaniach laboratoryjnych, są poza wspomnianą już płodnością i krótkim cyklem życiowym:

  • łatwa dostępność, 
  • mały rozmiar, 
  • nieskomplikowana hodowla, 
  • podatność na eksperymentalne manipulacje, 
  • a także wielość możliwych do zastosowania technik badawczych. 


 

Rys. 1. Cykl życiowy muszki owocowej

 


Kariera naukowa muszki owocowej

Opanowanie laboratoriów przez tę niepozorną muchówkę wiąże się z szybkim powstaniem licznych grup badawczych, dla których przykład potencjalnych możliwości aplikacyjnych dały prace Thomasa Morgana. Badacz ten, uważany za ojca współczesnej genetyki, zainteresował się drozofilą z przyczyn dość przyziemnych – szukał organizmu, który będzie łatwo dostępny i tani w utrzymaniu, co ograniczy koszty badań. Za radą swojego młodszego kolegi pracującego już wcześniej z tym gatunkiem rozpoczął eksperymenty na Uniwersytecie Columbia (Carlson, 2013). Kiedy wśród hodowanych owadów pojawiła się mutacja powiązana z płcią, Morgan skupił się na analizie materialnych podstaw determinacji płci i dziedziczenia. Te epokowe badania doprowadziły do powstania chromosomowej teorii determinacji płci, a także dały ostateczny dowód na to, że chromosomy są nośnikami cech służących jako podstawa fizyczna dla praw dziedziczenia sformułowanych przez Gregora Mendla. Zapoczątkowało to badania, które uwieńczone zostały nie tylko kilkoma Nagrodami Nobla, lecz także najszerszą bazą literaturową spośród wszystkich organizmów modelowych. 
Rocznie na temat Dro­sophila melanogaster ukazuje się kilkadziesiąt artykułów ba­­­dawczych, z których znaczna część dotyczy uzależnień. Ciekawostką jest fakt, że w 2018 r. zespół badawczy kierowany przez Petera Witzgalla otrzymał Nagrodę ig Nobla1 w dziedzinie biologii za stwierdzenie, że samice drozofila wydzielają feromony, których zapach jest na tyle silny, że sommelierzy mogą wiarygodnie zidentyfikować za pomocą węchu obecność pojedynczej muchy rodzaju żeńskiego w lampce wina. Związki między alkoholem a zachowaniem muszek są uwarunkowane ewolucyjnie, wrażliwość na zapach alkoholu jest bowiem związana z ich niszą pokarmową, a składanie jaj w lekko fermentujących owocach zapobiega pojawianiu się chorób grzybowych u rozwijających się owadów. Istnieje wiele podstawowych procesów biologicznych, fizjologicznych i neurologicznych wspólnych dla ssaków i Drosophila, choć linia stawonogów została oddzielona od linii kręgowców ponad 600 milionów lat temu (Peterson i in., 2004). Coraz bardziej precyzyjny zestaw narzędzi badawczych pozwala dziś testować, jak wiele funkcjonalnej homologii, poza ewolucyjną homologią rozwojową, istnieje między mózgiem Drosophila i ludzkim (Strausfeld i Hirth, 2013). Mimo że układ nerwowy muszki to zaledwie około 100 tys. neuronów, a ludzki mózg zawiera około 300–500 miliardów komórek nerwowych, muszki wykazują wiele złożonych reakcji, takich jak uczenie się, integracja asocjacyjno-czuciowa i zachowania społeczne. Jednym z ciekawszych aspektów badań są te, w których drozofilę wykorzystuje się do poszukiwania mechanizmów powstawania uzależnień. 

Mucha na odwyku?

Zgodnie z definicją uzależnienie to zespół zjawisk neurofizjologicznych wynikający z działania na organizm substancji psychoaktywnych. Charakteryzuje się zmianami reakcji psychofizycznych oraz przymusem zażywania tych substancji stale lub okresowo, w celu osiągnięcia stanu zadowolenia lub uniknięcia konsekwencji spowodowanych odstawieniem. Drosophila melanogaster jest cennym modelem zarówno do badania zachowań związanych z używkami na poziomie testów behawioralnych, jak i do badań molekularnych i genetycznych mających na celu wyjaśnienie podstaw powstawania uzależnień. Wiele z tych mechanizmów stwierdza się także u ssaków, co sugeruje, że mucha jest przydatnym modelem do zrozumienia mechanizmów leżących u podłoża nałogu. Jednym z najczęściej stosowanych i nadużywanych środków psychoaktywnych na świecie jest alkohol. Etanol to ciecz szybko wchłaniana z układu pokarmowego i rozprowadzana po organizmie. Już w ciągu 5–10 minut od spożycia można wykryć jego obecność we krwi. Jest jedną z najstarszych i najbar­dziej po­pularnych substancji psychoaktywnych sto­­­­­­­sowanych przez człowieka (Bączkowska, 2017). 
Ostra ekspozycja na eta­nol może po­­­wodować za­równo krótkotrwałe zaburzenia zachowania, jak i długotrwałe uzależnienie. W laboratorium muchy są często poddawane testom na działanie alkoholu, aby zmierzyć ich reakcje behawioralne, zaskakująco podobne do reakcji występujących u ssaków. Wykazano, że muchy podobnie jak ludzie rozwijają tolerancję na powtarzane ekspozycje etanolu. Przy wielokrotnych ekspozycjach dawka etanolu...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy