Van het stelen van genen tot het opnieuw laten groeien van ledematen, hoe het leven een manier vindt om te overleven en te gedijen

Dant Fenolio / Wetenschapsbron

Van het stelen van genen tot het opnieuw laten groeien van ledematen, hoe het leven een manier vindt om te overleven en te gedijen

Door Science News StaffMar. 1, 2018, 14:00 uur

De natuur heeft ons veel te leren. Als onderdeel van ons speciale pakket hebben we onderzocht hoe dieren, planten en bacteriën verschillende veerkrachtstrategieën gebruiken wanneer ze worden geconfronteerd met schaarse hulpbronnen, roofdieren en andere uitdagingen.

Veerkracht door regeneratie

Mensen moeten jaloers zijn op de axolotl (foto, hierboven). Onze regeneratievermogen is beperkt: gebroken botten, wonden genezen en grote delen van de lever kunnen regenereren, maar dat is het dan ook. Maar de axolotl een grote salamander wordt ook de Mexicaanse wandelende vis genoemd omdat het eruit ziet als een paling van 20 centimeter met stompe poten kan een geheel ontbrekend ledemaat of zelfs zijn staart vervangen, wat betekent dat het ruggenmerg, ruggengraat, en spieren. Ongeveer 30 onderzoeksteams onderzoeken hoe deze salamanders het doen. In de axolotl hebben ze ontdekt dat verschillende weefsels samenwerken om ledemaatverlies te detecteren en hergroei te coördineren. In het proces reactiveren de dieren dezelfde genetische circuits die de vorming van die structuren tijdens de embryonale ontwikkeling hebben geleid, waardoor generalistische stamcellen zich specialiseerden.

Axolotls zijn slechts een van de vele regeneratoren in het dierenrijk. Platwormen die planarians worden genoemd, zijn zelfs nog veerkrachtiger om terug te vloeien na het verliezen van 90% van hun lichaam. Een klein fragment van die 2 centimeter lange waterwormen kan de hersenen, huid, darmen en alle andere functionele organen verjongen. Nogmaals, stamcellen zijn de sleutel, en een speciale set van genen die actief zijn in spieren vertelt die stamcellen wat ze moeten doen, waardoor groei- en specialisatiegenen op het juiste moment in de juiste cellen worden geactiveerd. Dus de planariër kan zichzelf bijna opnieuw opbouwen, terwijl de axolotl alleen kan herbouwen als de hoofdlichaamas intact is. Dit jaar hebben onderzoekers nog een stap gezet in de richting van de detaillering van de onderliggende moleculen door de genomen van die twee soorten te sequencen. De ultieme hoop: op een dag kunnen we gewonde mensen overhalen om dezelfde reparaties uit te voeren. - Elizabeth Pennisi

SPL / wetenschapsbron

Genen stelen om te overleven

Stel je een woedende infectie voor in de longen van een gehospitaliseerde kankerpatiënt. Wanneer een krachtig antibioticum het systeem van de patiënt overstroomt, lijkt de verantwoordelijke bacterie, Klebsiella pneumoniae (foto), gedoemd te zijn. Maar het kan een veerkrachtstrategie inzetten die miljarden jaren is ontwikkeld: het lenen van een gen uit een andere cel waardoor de ziekteverwekker kan overleven.

Wanneer omgevingen veranderen, passen organismen zich aan of sterven ze. K. pneumoniae en andere bacteriën hebben het aanpassingsproces door turbocompressie aangepakt door genen van elders te haken, waaronder verschillende bacteriën en DNA-moleculen die los in de omgeving zitten. Door dergelijke horizontale gentransfers kunnen de insecten waardevolle nieuwe eigenschappen krijgen, van het vermogen om te gedijen op kaas, tot antibioticaresistentie.

Onderzoekers denken dat K. pneumoniae zijn antibioticadrupter-gen, blaKPC, van een andere, nog onbekende bacterie heeft verkregen. Bacteriën die zijn uitgerust met het gen, produceren een enzym dat verschillende antibiotica afbreekt.

Zoals bij veel veerkrachtstrategieën in de natuur, heeft het stelen van genen zijn kosten. Soms nemen microben schadelijke genen op in plaats van nuttige. En net als een nieuwe speler in een basketbalteam, is het mogelijk dat het eiwit dat uit een verworven gen wordt geproduceerd, niet samengaat met de andere eiwitten van de cel. Maar helaas voor patiënten werkt de strategie van K. pneumoniae maar al te goed: die insecten doden tussen 40% en 70% van de mensen die ze infecteren. - Mitch Leslie

Gracheva Lab

Eekhoorns met een regenachtig dagfonds

Met 13 gevoerde eekhoorns (op de foto) rennen rond de prairie van South Dakota en naderen de winter door te bukken. Tegen de tijd dat een eekhoorn gaat hiberneren, zal zijn gewicht met ongeveer 40% zijn gestegen, dankzij extra vet dat het wezen tot de lente zal overbruggen.

Tijdens droogtes, migraties, sombere winters en andere uitdagingen worden organismen vaak geconfronteerd met tijden waarin hulpbronnen schaars zijn. Om rond te komen, heeft de grondeekhoorn, net als veel andere wezens, middelen om later te gebruiken. Het kan meer dan 2% van zijn lichaamsgewicht in één dag bereiken terwijl het kloven op zaden, sprinkhanen en andere delicatessen.

Maar de tactiek heeft nadelen. Een roly-poly knaagdier is een gemakkelijkere prooi voor een havik of coyote. Het regenachtige dagfonds kan ook voortijdig leegraken. Dus zodra een eekhoorn lekker tubby is, gaat hij in de slaapstand en verlaagt zijn energieverbruik met 90%. De lichaamstemperatuur daalt tot net boven het vriespunt en de hartslag daalt tot slechts 5 slagen per minuut, van de gebruikelijke 350 tot 400 slagen.

Verpakking op het vet vereist metabole en gedragsaanpassingen. Maar op de een of andere manier ontwijkt de eekhoorn de gezondheidsproblemen die zwaarlijvige mensen pesten. Hoewel het enkele metabole defecten van diabetes type 2 ontwikkelt, is het dier niet ziek. En tegen de lente is het mager en kwiek en klaar om de cyclus opnieuw te beginnen. Mitch Leslie

Stan Shebs / Creative Commons Naamsvermelding-gelijk delen 3.0

Een plant die staat en vecht

In tegenstelling tot die van ons op poten, kunnen planten niet wegrennen van wat ze niet leuk vinden Toch tonen ze opmerkelijke veerkracht wanneer ze worden aangevallen . Bedenk eens hoe de wilde tabaksplant ( Nicotiana attenuata, foto), een metershoge inwoner van Noord-Amerika, zichzelf beschermt tegen hongerige insecten. De plant neemt de aminozuurverbindingen in het speeksel van een rups waar en reageert met een alarmsignaal een hydraulische of elektrische puls door zijn stengels en bladeren. Binnen enkele minuten verhogen de cellen van de plant hun productie van nicotine, een gif dat de spierfunctie van een dier verstoort. Wanneer het wordt aangevallen, kan een enkel wild tabaksblad nicotine in een halve sigarettenkarton verpakken. Maar sommige rupsen, zoals hawkmoths, hebben een manier ontwikkeld om dat gif door hun darmen te voeren in plaats van het op te nemen, waardoor wilde tabak gedwongen wordt nieuwe tegenmaatregelen te ontgraven. De plant produceert verbindingen die de spijsvertering remmen en de rups traag maken, evenals schuurmiddelen die de monddelen van de aanvaller verslijten. Tegelijkertijd roept de plant hulp in door een geur af te geven die in de grond levende insecten en andere rupseters aantrekt, en zet dan chemische wegwijzers op om die roofdieren naar hun toch al trage prooi te leiden. Ten slotte verplaatst een belegerde plant zijn hulpbronnen opnieuw, waardoor de bloei en groei worden uitgesteld totdat de rupsen verdwenen zijn. Verbazingwekkend genoeg wordt dit alles niet georkestreerd door gecentraliseerde hersenen, maar door besluitvormende cellen verspreid over de plant. Elizabeth Pennisi

DP Wilson / FLPA / Science Source

Vissen die van geslacht veranderen om te gedijen

Vissen zijn meesters van reproductieve veerkracht. Ongeveer 450 soorten wisselen van geslacht tijdens hun leven om hun aantal nakomelingen te maximaliseren. De vissen doen dit door hormonale veranderingen te ondergaan die hun organen transformeren van die van het ene geslacht naar het andere. Patronen van geslachtsverandering verschillen per soort. Grote vrouwtjes produceren meer eieren dan kleine vrouwtjes, dus voor sommige soorten, zoals anemoonvis, is het het beste om vroeg in het leven een man te zijn als ze meer runty zijn en later op een vrouw over te schakelen. Maar onder mannen die elkaar vechten voor vrouwen of gebieden - zoals groeperingen, zeebrasems (foto) en porgies - kan een te kleine man helemaal geen nakomelingen betekenen. In dat geval is het beter om in plaats daarvan een kleine vrouw te blijven.

Nu zorgt deze eeuwenoude strategie ervoor dat vissen zoals de zeebrasem zich kunnen aanpassen aan een moderne uitdaging die ook de seksbalans verstoort: overbevissing. Vissers geven de voorkeur aan de grootste vangst. Omdat het ene geslacht meestal groter is dan het andere, dreigt het grotere geslacht te worden uitgevist. Maar onderzoekers hebben ontdekt dat zeebrasems - smaakvolle, roodachtige vissen die veel voorkomen in warmere kustwateren van de Atlantische Oceaan - klaar zijn. Het verwijderen van grote mannen veroorzaakt eerder dan gebruikelijke geslachtsveranderingen bij sommige vrouwen, zodat de seksbalans behouden blijft. Toch is het meer een kortetermijnstrategie dan een langetermijnoplossing, zeggen onderzoekers. De vissen wisselen op jonge leeftijd van geslacht, zodat vrouwtjes geen kans krijgen om groot te worden. Die trend vertaalt zich in minder nakomelingen en een krimpende populatie. Die veerkrachtstrategie houdt hen voorlopig aan het reproduceren, maar de vissen kunnen zichzelf niet allemaal alleen redden. - Elizabeth Pennisi

Speciaal pakket: veerkracht

Een reeks wetenschappelijke artikelen onderzoekt manieren om met natuurrampen, oorlog en ontheemding en klimaatverandering om te gaan - om maar te zwijgen van veerkrachttactieken in de natuur.

  • Werknemers die een beschadigde school schoonmaken

    Meer dan 12 jaar na orkaan Katrina leren wetenschappers wat sommige overlevenden veerkrachtiger maakt dan anderen

  • Een jonge Syrische vluchteling die naar Jordanië vluchtte, luistert naar een leraar

    In oorlogsgebieden en vluchtelingenkampen stellen onderzoekers veerkrachtinterventies op de proef

  • Dorpsbewoners cluster op Polder 32

    Terwijl de zeespiegel stijgt, moeten de Bengaalse eilandbewoners beslissen of ze het water buiten willen houden

Meer van veerkracht