Некоторые живые организмы стали настоящими «звездами науки» — они позволили ученым заглянуть в глубины жизни, мозга, наследственности и эволюции.
Это кальмар. Благодаря ему мы знаем, как именно в нашем теле передаются электрические сигналы.
Когда кальмар замечает опасность, ему нужно мгновенно сократить свои мышцы и выбросить струю воды, чтобы резво рвануть прочь. Для такой экстренной команды эволюция создала необычайно толстый отросток нервной клетки — аксон. По нему электрический сигнал передается от тела нейрона к другим клеткам. Чем он толще, тем быстрее по нему проходит нервный сигнал. Если у человека диаметр аксона обычно измеряется тысячными долями миллиметра, то у гигантского кальмара он достигает почти полутора миллиметров.
До середины XX века исследователи понимали, что нервы каким-то образом передают электрические сигналы, но детали этого процесса оставались загадкой. Кальмар же позволил ученым впервые ввести внутрь нервной клетки электроды и напрямую измерить происходящие там процессы. Оказалось, что мембрана нейрона работает как своеобразный фильтр: через специальные каналы она пропускает одни заряженные частицы и задерживает другие. Благодаря этому внутри и снаружи клетки возникает разница электрических зарядов. Когда нервной клетке нужно передать сигнал, работа этих каналов на мгновение меняется, и по нерву пробегает электрический импульс. За это открытие ученые получили Нобелевскую премию в 1963 году.
Плодовая мушка дрозофила помогла раскрыть многие тайны наследственности.
Она быстро размножается, занимает мало места и дает новое поколение всего за несколько недель. Именно за это американский биолог Томас Хант Морган выбрал крошечных насекомых для изучения генов. В 1910 году в его лаборатории появилась необычная мушка с белыми глазами вместо привычных красных. Наблюдая за тем, как этот признак передается потомкам, ученый впервые доказал, что гены находятся в хромосомах. Это стало одним из важнейших открытий в истории генетики.
Позже дрозофила превратилась в настоящую рабочую лошадку биологии. Благодаря ей ученые составили первые генетические карты, разобрались в механизмах мутаций и обнаружили гены, которые управляют развитием организма. Оказалось, что многие из этих генов есть не только у мушек, но и у человека. Именно поэтому исследования дрозофилы помогли понять, как формируются органы, почему возникают некоторые врожденные заболевания и каким образом отдельные гены контролируют развитие живого существа от эмбриона до взрослой особи.
Лабораторная мышь стала главным помощником ученых в изучении человеческих болезней.
В 1980-х исследователи создали необычного грызуна, который был генетически запрограммирован на развитие рака. Его назвали «онкомышью». Ученые встроили в ее ДНК ген, который заставлял клетки бесконтрольно делиться. Благодаря этому исследователи впервые получили удобную модель для изучения того, как возникают опухоли и как можно их лечить.
Успех онкомыши показал, насколько ценным объектом для науки могут быть мыши. На первый взгляд они мало похожи на людей, но около 95% генов мыши имеют аналоги у человека. Кроме того, мыши быстро размножаются, живут недолго и хорошо приспосабливаются к жизни в лаборатории. Со временем ученые научились отключать и изменять отдельные гены мышей, чтобы выяснять их функции. Благодаря этим животным были созданы модели болезни Альцгеймера, диабета, муковисцидоза и многих других заболеваний. Сегодня без лабораторных мышей невозможно представить разработку новых лекарств, вакцин и методов лечения.
Нематода, или круглый червь Caenorhabditis elegans, помогла ученым разобраться в том, как из одной клетки возникает целый организм.
Этот червь длиной всего около миллиметра оказался удивительно удобным объектом для исследований. Его тело прозрачно, а взрослая особь состоит всего из 959 клеток. Благодаря этому ученые смогли буквально под микроскопом проследить судьбу каждой клетки: увидеть, когда она появляется, во что превращается и когда погибает.
Наблюдая за развитием нематод, исследователи обнаружили, что часть клеток организма погибает не случайно, а по заранее заложенной программе. Этот процесс получил название апоптоз — запрограммированная клеточная смерть. Сегодня известно, что именно благодаря апоптозу у эмбриона правильно формируются органы и ткани, а организм избавляется от поврежденных и опасных клеток. Нарушения этой программы могут приводить как к раку, когда клетки не хотят умирать, так и к нейродегенеративным заболеваниям, когда они гибнут слишком активно. За открытие генов, управляющих апоптозом, ученые получили Нобелевскую премию в 2002 году.
Еще одной звездой науки стала кишечная палочка.
Обычно о ней вспоминают как о бактерии, которая может вызвать пищевое отравление. Но некоторые ее штаммы десятилетиями служат ученым в лабораториях по всему миру.
Секрет ее популярности прост: кишечная палочка очень быстро размножается. В благоприятных условиях одна бактерия может разделиться всего за двадцать минут. Благодаря этому ученые получили возможность наблюдать за работой генов и целых поколений организмов буквально в режиме реального времени. Именно исследования кишечной палочки помогли разобраться, как клетки считывают информацию из ДНК и превращают ее в белки — основные строительные материалы живых организмов.
Позже бактерия стала одним из главных инструментов генной инженерии. Ученые научились вставлять в нее чужие гены и превращать в своеобразную биологическую фабрику. Сегодня кишечная палочка производит человеческий инсулин для лечения диабета, гормон роста и многие другие лекарственные препараты. А исследования защитных механизмов этой бактерии привели к открытию системы CRISPR — технологии редактирования генома, которая позволяет изменять ДНК с невиданной ранее точностью.