«Исследование световой сенсорной системы (RGB-фототаксиса) у Trichoplax (Placozoa)

«Исследование световой сенсорной системы (RGB-фототаксиса) у Trichoplax (Placozoa)
Даты проведения
с 2021-02-04 по 2021-10-17

Одной из актуальных проблем современной биологии беспозвоночных и позвоночных животных является поиск и исследование оптических информационных каналов связи низкоинтенсивного излучения между отдельными клетками, органами (гормональными железами) животных, живыми организмами в целом при их социальном поведении. В современных условиях RGB–световые стимулы стали сутью гигиены света и предметом исследований его воздействия на зрительные и незрительные эффекты, а также циркадные ритмы человека и животных. Понимание механизмов этих процессов может послужить научной основой для сопряжения оптических вычислительных наноустройств с исполнительными бионическими устройствами, которые разрабатываются в области бионики, оптогенетики, нанофотонной медицины и общественного здравоохранения. Для решения этих задач многие университеты мира заняты поиском модельного животного, которое бы относилось к простым животным, имело несложную однотипную организационную структуру и генное многообразие, а также имело бы простую цветовую сенсорную систему.

Использовались теоретические методы исследования: анализ достижений в биологии Trichoplax, анализ генов опсинов и генов мелатонина проводился с использованием открытой базы данных последовательностей белков UniProt, выдвижение гипотезы о наличии у Trichoplax RGB-фототаксиса, адаптивное моделирование конструкционных узлов разработанного двух вебкамерного микроскопа для исследования поведения Trichoplax в естественных условиях и эмпирические методы исследования: эксперимент с моделированием естественных условий с уровнем освещенности и температуры, лабораторный эксперимент на животных, метод с видео регистрацией результатов экспериментов, оценка поведения животного по качественным показателям (форма пластинки, активность). Автором предложена гипотеза о наличии у Trichoplax RGB-фототаксиса и впервые в мировой практике проведены эксперименты по управлению поведением Trichoplax sp.Н2, его клетками световыми стимулами с разной длиной волны (красным 630нм, зеленым 532нм, синим 395нм). Для исследования поведения Trichoplax при различных световых воздействиях в комфортной среде его обитания автором был создан оптический микроскоп с двумя вебкамерами, которые чувствительны при низком уровне общего освещения и манипулятор с волоконно-оптической системой для подачи RGB –световых стимулов в водную среду с Trichoplax. Отработана методика проведения исследований, которая позволила подтвердить повторяемость обнаруженного RGB-фототаксиса с последующей регистрацией на микроскопах Nikon Eclipse Ts2R и NIKON SMZ800N Stemi 305.

Ценность результатов исследования: Для биологии: впервые с помощью световых сигналов проведено управление поведением Trichoplax и его клетками, а также доказано наличие у Trichoplax сенсорной структуры, чувствительной к спектральному составу света. С помощью зеленого света можно останавливать активность Trichoplax и проводить микроскопические исследования его строения на живом животном в реальной среде его обитания без применения химических веществ. Для бионики: разработан перечень световых сигналов, «светофор» управляющих световых воздействий для машинного моделирования поведения Trichoplax.

Выводы:

Открытие RGB–фототаксиса Trichoplax sp.Н2 изменяет сложившиеся научные представления в области эволюции цветного зрения у животных от Trichoplax sp.Н2 до зрительного анализатора человека и функционирования его шишковидной железы и сетчатки глаза; RGB–фототаксис Trichoplax sp.Н2 и кинезис его клеток является теоретической основой для понимания того, как простые беспозвоночные животные интегрируют информацию из сложной световой среды при отсутствии у них традиционной структуры обработки информации (нервной системы); Управление Trichoplax sp.Н2 с помощью RGB–световых стимулов является основой для новых направлений в науке и технике в части синтеза биосенсоров для цветного зрения и управления биологических нанороботов. Проведенные исследования по обнаружению RGB–фототаксиса Trichoplax sp.Н2 способствуют совершенствованию оптических микроскопов для исследования селективной поведенческой реакции социальных беспозвоночных микроживотных. На разработанную конструкцию микроскопа оформлен патент на полезную модель RU 2021123551 от 05.08.2021, а также заявка на изобретение (19)RU(11)2021121459(13A) от 19/07/2021 - «Способ управления фототаксисом Trichoplax (Placozoa)». Результаты исследований опубликованы и представлены на XVI международной научной конференции «Актуальные вопросы биологической физики и химии БФФХ-2021». Экспериментальные исследования проведены на базе лаборатории биоразнообразия и функциональной геномики Мирового океана ФИЦ «ИнБЮМ им. А. О. Ковалевского РАН» в рамках работы «Трихоплакс для бионики», по итогам снят фильм «Управление Trichoplax» (YouTube).

Целью исследований было определение наличия у Trichoplax sp.Н2 световой сенсорной системы (RGB-фототаксиса) и селективной поведенческой реакции на монохромные световые стимулы: красный (R), зеленый (G) и синий (B). Для достижения цели были решены следующие
​задачи: проведен анализ литературных источников о клеточном строении, наборе генов, спектральном составе световой среды обитания Trichoplax; на основании этого был выбран перечень цветов монохромного светового воздействия на Trichoplax; разработана методика исследования на базе созданного оптического микроскопа, который позволяет наблюдать: одновременно за группой Trichoplax и отдельной особью в этой группе, а также за пространственным положением волоконно-оптического источника света с разными длинами волн; проведены экспериментальные исследования по подтверждению высказанной гипотезы о наличии у Trichoplax RGB-фототаксиса с видео регистрацией результатов эксперимента; проанализированы возможные механизмы светового управления Trichoplax на основе полученных результатов.
Результаты исследования и новые научные положения: Впервые с помощью световых сигналов проведено управление поведением Trichoplax и его клетками и доказано наличие у Trichoplax RGB-фототаксиса. Впервые получены данные о влиянии спектра света на поведение Trichoplax. С помощью зеленого света (532нм) останавливается движение Trichoplax, замирает движение клеток в его внутренней структуре. Под воздействием ультрафиолетового света (395нм) возникают вихревые движения внутренних клеток с последующим изменением формы Trichoplax и началом его движения в сторону источника ультрафиолетового света. При воздействии красного света (630нм) уменьшается скорость движения Trichoplax, происходит замирание движения внутренних клеток на время паузы, через некоторое время Trichoplax начинает движение от источника красного света.
О проекте

Проект опубликовал

Целевая аудитория

школьники 8-11 класс студенты специалисты преподаватели

Специализации

Исследование

Области знаний

Биология и науки о Жизни