Αγάπη μου, συρρίκνωσα τα... μυρμήγκια. Honey, I shrunk the ants: How environment controls size

Οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Μακ Γκιλ ανακάλυψαν μέσα από πειράματα σε μυρμήγκια του είδους Camponotus floridanus ότι περιβαλλοντικοί παράγοντες μπορούν να παίξουν καίριο ρόλο στον προσδιορισμό πολύπλοκων χαρακτηριστικών όπως το μέγεθος. Until now scientists have believed that the variations in traits -- such as our height, skin color, tendency to gain weight or not, intelligence, tendency to develop certain diseases, etc., all of them traits that exist along a continuum -- were a result of both genetic and environmental factors. But they didn't know how exactly these things worked together. By studying ants, researchers have identified a key mechanism by which environmental (or epigenetic) factors influence the expression of all of these traits, along with many more. McGill researchers have discovered that environmental factors play a crucial role in determining complex traits like size. Credit: Mélanie Couture and Dominic Ouellette

Ως σήμερα οι επιστήμονες πίστευαν ότι η ποικιλομορφία σε χαρακτηριστικά όπως το ύψος, το χρώμα του δέρματος, η τάση για λήψη βάρους, η ευφυΐα, η τάση για ανάπτυξη ορισμένων νόσων κ.ά., είναι το αποτέλεσμα ενός συνδυασμού γενετικών και περιβαλλοντικών παραγόντων. Δεν γνώριζαν όμως πώς όλοι αυτοί οι παράγοντες συνδυάζονται μεταξύ τους. Μελετώντας μυρμήγκια, ερευνητές του Πανεπιστημίου Μακ Γκιλ στον Καναδά εντόπισαν έναν μηχανισμό-«κλειδί» με τον οποίο οι περιβαλλοντικοί (ή επιγενετικοί) παράγοντες επηρεάζουν την έκφραση όλων αυτών των χαρακτηριστικών και πολλών περισσότερων.

Πώς μπορούμε να παρέμβουμε στην έκφραση των χαρακτηριστικών

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι εντοπίζοντας ένα γονίδιο με καίριο ρόλο για το κάθε χαρακτηριστικό καθώς και το πώς επηρεάζεται επιγενετικώς (δηλαδή από το περιβάλλον) είναι πιθανό να επηρεάσουμε τον βαθμό της έκφρασής του - και έτσι να παρέμβουμε στο πώς εκφράζονται διαφορετικά χαρακτηριστικά. Η όλη ιστορία μοιάζει λίγο με το πώς ένας καλλιτέχνης προσθέτει περισσότερη ή λιγότερη λευκή μπογιά στο μαύρο ώστε να δημιουργήσει μια παλέτα αποχρώσεων του γκρι. Στην πραγματικότητα, όλη αυτή η ερευνητική δουλειά αφορά την ανακάλυψη του μηχανισμού μέσω του οποίου το περιβάλλον αλληλεπιδρά με συγκεκριμένα γονίδια, αποκαλύπτοντας ότι οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αποτελούν έναν ισότιμο «εταίρο» στον προσδιορισμό πολύπλοκων χαρακτηριστικών.

Η ερευνητική ομάδα από το Μακ Γκιλ με επικεφαλής τους καθηγητές Μοσέ Σιφ και Εχάμπ Αμπουχάιφ από τα Τμήματα Φαρμακολογίας - Θεραπευτικής και Βιολογίας αντιστοίχως, εντόπισε έναν μηχανισμό μέσω του οποίου επιγενετικοί παράγοντες επιδρούν στην ποσοτική διαφοροποίηση πολύπλοκων χαρακτηριστικών.

Για να καταλήξουν στα συμπεράσματά τους οι επιστήμονες διεξήγαγαν επιγενετικά πειράματα σε μυρμήγκια του είδους Camponotus floridanus. Με δεδομένο ότι υπάρχει μικρή γενετική επίδραση στον προσδιορισμό της ποικιλομορφίας του μεγέθους των εργατών σε μια αποικία και με δεδομένο ότι το γονιδίωμά τους έχει ήδη «διαβαστεί», οι ερευνητές ήταν σε θέση να επικεντρωθούν στην επίδραση των επιγενετικών παραγόντων σε ό,τι αφορούσε τις διαφοροποιήσεις στο μέγεθος.

Μυρμήγκια με γκάμα... μεγεθών

Florida carpenter ant workers run the gamut from dainty minors (far left) to hefty majors (far right). Photograph: MELANIE COUTURE AND DOMINIC OUELLETTE

Αυξάνοντας τον βαθμό της μεθυλίωσης του DNA (πρόκειται για μια βιοχημική διαδικασία που ελέγχει την έκφραση συγκεκριμένων γονιδίων - κάτι σαν τον ροοστάτη που ανεβάζει και κατεβάζει την ένταση του φωτός) ενός γονιδίου που εμπλέκεται στον έλεγχο της ανάπτυξης και ονομάζεται Egfr, οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα φάσμα μεγεθών εργατών. Ανακάλυψαν σε γενικό πλαίσιο ότι όσο πιο μεθυλιωμένο ήταν ένα γονίδιο, τόσο μεγαλύτερο ήταν το μέγεθος των μυρμηγκιών.

«Βασικά ανακαλύψαμε μια διαδοχική επίδραση. Τροποποιώντας τη μεθυλίωση ενός συγκεκριμένου γονιδίου που επιδρά σε άλλα γονίδια - στη συγκεκριμένη περίπτωση επρόκειτο για το γονίδιο Egfr - μπορέσαμε να επιδράσουμε σε όλα τα άλλα γονίδια που εμπλέκονται στην κυτταρική ανάπτυξη» ανέφερε ο Σεμπαστιάν Αλβαράδο, διδακτορικός ερευνητής στο Μακ Γκιλ, που ήταν ένας εκ των δύο κύριων συγγραφέων της σχετικής μελέτης η οποία δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature Communications». «Και μπορεί να δουλέψαμε με μυρμήγκια, ήταν όμως σαν να ανακαλύψαμε ότι θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε κοντύτερους ή ψηλότερους ανθρώπους κατά βούληση».

Στην περίπτωση της ανάπτυξης των μυρμηγκιών, ο καθοριστικός παράγοντας φάνηκε ότι ήταν το γονίδιο Εgfr. «Για άλλα όμως πολύπλοκα χαρακτηριστικά, είτε αυτά εμπλέκονται στην ανάπτυξη των καρκινικών κυττάρων στον άνθρωπο είτε των λιποκυττάρων στα κοτόπουλα, αυτό που είδαμε είναι ότι αν βρούμε σε κάθε περίπτωση τη γενετική θέση-κλειδί που επηρεάζεται από επιγενετικούς παράγοντες, τότε μπορούμε να επιδράσουμε στο πόσο πολύ ή λίγο εκφράζεται το εκάστοτε γονίδιο» εξήγησε από την πλευρά του ο Ρατζέντραν Ρατζακουμάρ, ο έτερος κύριος συγγραφέας της μελέτης.

Προς ανθρώπινα χαρακτηριστικά κατά παραγγελία;

Η νέα ανακάλυψη αλλάζει πλήρως την κατανόηση σχετικά με το πώς λαμβάνει χώρα η ανθρώπινη ποικιλομορφία» είπε ο καθηγητής Αμπουχάιφ. «Τόσο πολλά ανθρώπινα χαρακτηριστικά όπως η ευφυΐα, το ύψος ή η προδιάθεση για νόσους σαν τον καρκίνο πιθανότατα μπορούν να επηρεαστούν από τον επιγενετικό μηχανισμό. Αν βρούμε πώς ο μηχανισμός αυτός επηρεάζει ένα γονίδιο-"κλειδί" σε κάθε πεδίο, η αλλαγή θα είναι τόσο μεγάλη ώστε να μην μπορούμε να φανταστούμε καν αυτή τη στιγμή πώς θα επιδράσει στην έρευνα, είτε αυτή αφορά την υγεία είτε τη γνωστική ανάπτυξη είτε τη γεωργία» κατέληξε ο καθηγητής.

Πόσο θα διαρκούσε μια πτώση μέχρι την άλλη πλευρά της Γης; How Long Would It Take to Fall Through the Earth?

Λίγο λιγότερο από ό,τι είχε εκτιμηθεί ως σήμερα, δείχνουν νέοι υπολογισμοί. Περίπου 38 λεπτά. The original theory goes like this: If a hole was dug from one point on Earth to the other on the opposite side, it would take 42 minutes and 12 seconds to fall through - but the new estimate is four minutes and eleven seconds quicker. Shown is a promotional Red Bull photo of Felix Baumgartner.

Πόση ώρα θα χρειαζόταν κανείς για να φτάσει στον αντίποδα της Γης αν έπεφτε σε μια τρύπα που περνά από το κέντρο του πλανήτη; Λίγο λιγότερο από ό,τι είχε εκτιμηθεί ως σήμερα, δείχνουν νέοι υπολογισμοί. Το ταξίδι θα διαρκούσε 38 λεπτά και έντεκα δευτερόλεπτα, περίπου 4 λεπτά λιγότερο από ό,τι στην παραδοσιακή λύση.

Το πρόβλημα

In the problem, students imagine jumping into a tunnel through the center of Earth—a hole nobody is ever going to dig. Photograph: OLESACHEM AT THE MANHATTAN WELL DIGGER/WIKIMEDIA/CREATIVE COMMONS

Εδώ και δεκαετίες, χιλιάδες φοιτητές Φυσικής καλούνται να λύσουν το πρόβλημα στα πρώτα χρόνια των σπουδών τους. Και η απάντηση που διδάσκονται συνήθως είναι ότι η ελεύθερη πτώση θα διαρκούσε 42 λεπτά και 12 δευτερόλεπτα.

Σύμφωνα με το νόμο του Νεύτωνα, η δύναμη της βαρύτητας που δέχεται ένας άνθρωπος είναι ανάλογη του τετραγώνου της μάζας που βρίσκεται κάτω από τα πόδια του και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης από το κέντρο του πλανήτη. Αυτό σημαίνει ότι η δύναμη της βαρύτητας θα μεταβαλλόταν διαρκώς στη διάρκεια του υποθετικού ταξιδιού: καθώς κανείς κατεβαίνει, η απόστασή του από το κέντρο της Γης μειώνεται. Ταυτόχρονα, όμως, μειώνεται και η μάζα που βρίσκεται κάτω από τα πόδια του, ενώ η μάζα που βρίσκεται πάνω από το κεφάλι του παύει να έχει επίδραση (όπως δείχνει το λεγόμενη θεώρημα του κελύφους).

The density of Earth doesn't increase in a linear way; rather there is a sharp 50 percent rise in density at the boundary between the mantle and the outer core. Credit: Johan Swanepoel | Shutterstock.com

Όταν κανείς φτάσει στον πυρήνα, η βαρύτητα μηδενίζεται. Και όταν ο ταξιδιώτης προπεράσει τον πυρήνα, η κατεύθυνση της βαρύτητας αντιστρέφεται και τον τραβά προς τα πίσω. Η ορμή που έχει συσσωρευτεί κατά την πτώση τού επιτρέπει να συνεχίσει το ταξίδι, με ταχύτητα όμως που όλο και μειώνεται μέχρι να μηδενιστεί στο τέρμα του τούνελ. Το πρόβλημα με την κλασική λύση του προβλήματος είναι ότι βασίζεται στην υπόθεση ότι η Γη είναι ομοιόμορφη και έχει παντού την ίδια πυκνότητα.

Η νέα μελέτη

Ο ταξιδιώτης θα έπρεπε να διανύσει 12.742 χιλιόμετρα πριν δει φως στην άκρη του τούνελ. Alexander Klotz a student at McGill University in Canada has calculated a new answer to the commonly asked physics question, how long would it take a person to fall all the way through the Earth? Instead of the commonly accepted 42 minutes, he claims it is 38. He has published his reasoning, math and conclusions in a paper published in The American Journal of Physics.

Αυτό όμως δεν ισχύει, όπως επισημαίνει ο Αλεξάντερ Κλοτζ, μεταπτυχιακός φοιτητής του Πανεπιστημίου ΜακΓκιλ στο Μόντρεαλ και συντάκτης της μελέτης που δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «American Journal of Physics».

Χρησιμοποιώντας ένα πιο ρεαλιστικό μοντέλο του εσωτερικού της Γης, το οποίο βασίζεται σε σεισμικές μετρήσεις, ο Κλοτζ υπολογίζει ότι το ταξίδι θα διαρκούσε 38 λεπτά και έντεκα δευτερόλεπτα, περίπου 4 λεπτά λιγότερο από ό,τι στην παραδοσιακή λύση.

The Eastern Hemisphere of Earth can be seen in this "blue marble" view captured by NASA's Suomi NPP satellite. Credit: NASA/NOAA

Στο ακριβέστερο αυτό μοντέλο, η πυκνότητα της Γης ποικίλει από το ένα γραμμάριο ανά κυβικό εκατοστό στην επιφάνεια μέχρι τα 13 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό στον πυρήνα. Επιπλέον, η πυκνότητα δεν μεταβάλλεται γραμμικά με τη απόσταση, αλλά αυξάνεται απότομα, κατά περίπου 50%, στο όριο ανάμεσα στον μανδύα και τον πυρήνα. Οι αριθμητικοί υπολογισμοί του Κλοτζ δείχνουν τώρα ότι το ταξίδι θα διαρκούσε κάτι περισσότερο από 38 λεπτά. Όταν όμως ο ταξιδιώτης φτάσει στην άλλη άκρη, θα πρέπει αμέσως να πιαστεί από κάποιο αντικείμενο, αλλιώς θα αρχίσει να πέφτει πίσω προς το κέντρο. Χωρίς κάποιο στήριγμα, το ταξίδι θα συνεχιζόταν επ΄αόριστον πάνω-κάτω σαν εκκρεμές που ταλαντώνεται.

Η αλήθεια πάντως είναι ότι ακόμα και η νέα λύση δεν είναι απόλυτα ακριβής, αφού βασίζεται στην υπόθεση ότι η σήραγγα δεν περιέχει αέρα που θα επιβράδυνε την πτώση. Η βασική δυσκολία βέβαια δεν θα ήταν η απομάκρυνση του αέρα -θα ήταν το σκάψιμο μιας σήραγγας που περνά από τον υπέρθερμο πυρήνα και έχει συνολικό μήκος 12.742 χιλιόμετρα. Το πιθανότερο είναι ότι η πειραματική επιβεβαίωση δεν θα έρθει ποτέ.

Γη – Άρης σε 39 ημέρες! Could we get to Mars in 39 days?

Καλλιτεχνική απεικόνιση ενός σκάφους με κινητήρα VASMIR με τον οποίο θα μπορεί να ταξιδέψει από τη Γη στον Άρη σε μόλις 39 ημέρες. Nasa has selected a variety of companies to work on projects to create advanced space technologies, including a faster method of propulsion known as Vasimr (illustrated), which could apparently get to Mars in a matter of weeks, not months.

Η NASA ανακοίνωσε ότι θα χρηματοδοτήσει την ανάπτυξη ενός νέου τύπου κινητήρα ο οποίος θα κάνει… τούρμπο τα διαστημικά σκάφη. Αν ο κινητήρας αυτός κατασκευαστεί και αποδειχθεί λειτουργικός τότε τα ταξίδια στο Διάστημα θα γίνονται με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα από ότι σήμερα. Σύμφωνα με τους ειδικούς ένα σκάφος που θα διέθετε αυτό τον κινητήρα θα μπορούσε να κάνει το ταξίδι από τη Γη στον Άρη (που με τα σημερινά σκάφη διαρκεί έξι μήνες) σε μόλις 39 μέρες.

Το πλάσμα

The Vasimr engine is seen here being tested. Short for Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, Vasimr works with plasma, an electrically charged gas that can be heated to extreme temperatures by radio waves and controlled and guided by strong magnetic fields.

Από το 2005 μια εταιρεία στο Τέξας, η Ad Astra Rocket Company of Webster, έχει δουλέψει για να τελειοποιήσει έναν τύπο κινητήρα που λέγεται VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket).

In rocket propulsion, the higher the temperature of the exhaust gases, the higher their velocity and the higher the fuel efficiency. Plasma rockets like Vasimr (illustrated) feature exhaust velocities far above those achievable by their chemical cousins, so their fuel consumption is extremely low.

Αυτός ο τύπος πυραύλου χρησιμοποιεί ραδιοκύματα για τη θέρμανση του ευγενούς αερίου αργόν, μετατρέποντάς το σε ένα καυτό πλάσμα – μια κατάσταση κατά την οποία τα ηλεκτρόνια δεν δεσμεύονται πλέον από τους ατομικούς πυρήνες. Μαγνητικά πεδία  τότε εκτοξεύουν υπέρθερμο πλάσμα από το πίσω μέρος του κινητήρα, δημιουργώντας μια ώση προς την αντίθετη κατεύθυνση.

An illustration of a VASIMR-engine-mounted rocket deflecting an asteroid away from Earth. (Courtesy Ad Astra Rocket Company)

Το μοντέλο αυτό του πυραύλου εκτοξεύει τα καύσιμα με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα από ό,τι οι συμβατικοί κινητήρες, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται πολύ μεγάλη επιτάχυνση. Η NASA αποφάσισε να δώσει στην εταιρεία δέκα εκατομμύρια δολάρια για να ολοκληρώσει την κατασκευή του κινητήρα.

Μοναδικό φυτό ερωτοτροπεί υπό την ελληνική πανσέληνο. Werewolf plant waits for the light of the full moon

Είναι το μόνο γνωστό φυτό που περιμένει την πανσέληνο για να γονιμοποιηθεί. On the cliffs of the Mediterranean, there grows an untidy, scrambling shrub called Ephedra foeminea. It isn’t the prettiest of plants, but once a year, in the middle of July, it becomes far more appealing. On the night of the full moon, the shrub exudes small, sweet droplets from its red cones. Without any clouds or trees in the way, these drops catch the full intensity of the moonlight, reflecting them into the eyes of passers-by. The shrub sparkles, as if covered in diamonds. Ephedra foemicia cones, with pollination drops. Credit: Kristina Bolinder

Ο θάμνος Ephedra foemina, ένα από τα είδη εφέδρας που φύονται στην Ελλάδα, αποδεικνύεται το μόνο γνωστό φυτό που περιμένει την πανσέληνο για να γονιμοποιηθεί.

Μοναδικό

Ephedra foeminea clinging to a cliff. (Image: west-crete.com)

Η E.foemina, ένα φυτό με πυκνούς, μακρόστενους βλαστούς, φύεται σε ηλιόλουστες θέσεις της ευρύτερης περιοχής της Μεσογείου και της Βόρειας Αφρικής. Είναι ένα από τα είδη εφέδρας που δίνουν την εφεδρίνη, μια διεγερτική ουσία που χρησιμοποιείται για ντοπάρισμα και μπορεί να προκαλέσει ταχυκαρδία και άλλες επικίνδυνες παρενέργειες. Οι εφέδρες δεν παράγουν πραγματικά άνθη, αφού ανήκουν στην ομάδα των γυμνόσπερμων φυτών μαζί με τα κωνοφόρα. Οι αναπαραγωγικές δομές τους είναι μικροί κώνοι με αρσενικά και θηλυκά όργανα, ανάλογα με τις αναπαραγωγικές δομές των κωνοφόρων. 

Lunar love (Image: Kristina Bolinder).

Στη διάρκεια της νύχτας, οι κώνοι εκκρίνουν σταγόνες ενός παχύρρευστου, σακχαρώδους υγρού που προσελκύει νυχτόβια έντομα για την επικονίαση -τη μεταφορά γύρης από τους θηλυκούς στους αρσενικούς κώνους. Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης μελετούσαν άλλα είδη εφέδρας όταν παρατήρησαν ότι ότι οι σταγόνες της Ε.foemina εμφανίζονταν περίπου την ίδια εποχή κάθε έτος. Όταν όμως επισκέφθηκαν την Ελλάδα και την Κροατία το 2013, δεν βρήκαν τις σταγόνες και τα έντομα που περίμεναν.

Ephedra foemina Forsk., Vieux mur à Chora Sphakion, 14 Septembre 2004.

«Αφού περάσαμε μια εβδομάδα στην Ελλάδα χωρίς να παρατηρήσουμε κανέναν επικονιαστή, είχαμε πραγματικά κακή διάθεση και αποφασίσαμε να πάμε για δείπνο αντί να επισκεφτούμε ξανά το πεδίο μελέτης» αναφέρει στο περιοδικό New Scientist η Καταρίνα Ράιντιν. «Ξαφνικά, είχαμε μια στιγμή "εύρηκα", ίσως επειδή κοιτούσαμε φωτογραφίες του φεγγαριού από την προηγούμενη χρονιά, οι οποίες έρχονταν σε αντίθεση με τη σκοτεινιά που κάλυπτε το πεδίο μελέτης».

Η ανάλυση

Ephedra foeminea: Male cone (A) and female cones (B) with pollination drops. The drops are sweet. (Image: Biology Letters)

Πράγματι, η ανάλυση των προηγούμενων παρατηρήσεων αποκάλυψε μια πιθανή σχέση με τον σεληνιακό κύκλο. Η σχέση επιβεβαιώθηκε τον Ιούλιο της επόμενης χρονιάς, όταν οι ερευνητές είδαν τα σταγονίδια να εμφανίζονται υπό το φως της πανσελήνου. Αντίθετα, καμία σχέση με τον σεληνιακό κύκλο δεν παρατηρήθηκε σε ένα άλλο είδος εφέδρας που γονιμοποιείται από τον άνεμο αντί από έντομα.

Ephedra foemina fruits, cape Tenaro, Mani Greece.

Αρκετά ζώα είναι γνωστό ότι αντιδρούν στις φάσεις της Σελήνης, ανάμεσά τους διάφορα είδη καβουριού, θαλάσσιων πτηνών και σκαθαριών. Στο βασίλειο των φυτών, όμως, η Ε.foemina φαίνεται πως έχει την πρωτιά. «Από ό,τι γνωρίζουμε, είναι η πρώτη» λέει η Ράιντιν. «Τη νύχτα, οι πολυάριθμες σταγόνες επικονίασης λάμπουν σαν διαμάντια υπό το σεληνόφως, ένα εντυπωσιακό θέαμα ακόμα και για το ανθρώπινο μάτι» σχολιάζει.

Ephedra foemina Forsk., Falaise calcaire dans les gorges d'Imbros, 15 Mai 2007.

Ο λόγος που το φυτό αναπαράγεται μόνο την πανσέληνο, καθώς και ο μηχανισμός του φαινομένου, παραμένουν άγνωστοι. Οι ερευνητές ανησυχούν ωστόσο ότι το μοναδικό φυτό μπορεί να απειλείται από τη φωτορύπανση. Επίσημες μετρήσεις δεν υπάρχουν, ωστόσο οι ερευνητές έχουν την εντύπωση ότι η Ε.foemina φύεται όλο και πιο μακριά από ανθρώπινους οικισμούς. Η μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση Biology Letters.