Почему уток нельзя кормить батоном
Кормление уток и утят не такое простое, как кажется. При этом в список того, чем нельзя кормить уток входят и любимые большинством посетителей парков хлебобулочные изделия, которые могут навредить птицам.
Почему уток нельзя кормить хлебом
В природе утки питаются тем, что находят в придонном иле и ряске на поверхности воды: насекомыми, мелкими рачками, стеблями и семенами растений. Всё это — не слишком калорийная пища, поэтому утки с удовольствием едят хлеб — в природе таких сытных угощений им не найти. Тогда почему нельзя кормить диких уток хлебом? Всё дело именно из-за его питательной ценности.
Во-первых, постоянный прикорм калорийным хлебом вреден для утят-подростков, так как отучает самых молодых членов стаи самостоятельно добывать пищу. Во-вторых, богатая белком (а в белом хлебе как минимум 6 грамм белка на 100 грамм) пища приводит к утяжелению костей подрастающих утят, из-за чего им становится тяжело летать. Известно и такое заболевание как «ангельское крыло», когда из-за диетических погрешностей крылья теряют способность нормально складываться вдоль тела и лишают утку способности летать. Нельзя кормить уток и чёрным хлебом, потому что это также приводит к распространению «серых шеек».
Кроме того, подобное поведение людей подразумевает и возможные проблемы с экологией, вот почему уток нельзя кормить хлебом в парках, несмотря на то, что это продукт питания, который разлагается. Дело в том, что хлебные крошки загрязняют среду обитания уток; они привлекают хищников, а также стимулируют рост цианобактерий и микроскопических грибов, тоже не слишком полезных для птиц. Поэтому вместо того, чтобы тащить в парк батон, возьмите то, что пойдёт на пользу и уткам, и утятам, и не повредит экосистеме водоёма. Свежие овощи и фрукты, богатые витаминами и клетчаткой, отлично подойдут. Но есть исключения, и очень важные! Вот удобный список.
Чем можно кормить уток:
- капустой
- салатом всех сортов
- огурцами
- кукурузой
- брокколи
- свёклой
- помидорами
- баклажанами
- тыквой
- кабачками
- бананами (без кожуры и немного — они тоже довольно сытные)
- ананасами
- зёрнами граната
- кошачьим и собачьим кормом
- рисом
Чем нельзя кормить уток:
- лук. Полезный для людей овощ, но кормить им уток можно только если вы очень хотите увидеть, как тошнит птиц. От большой порции может умереть даже взрослая особь.
- авокадо. Не то что бы нам часто приходит в голову кормить уток авокадо, но — на всякий случай: авокадо ЯДОВИТ для птиц, в том числе уток.
- шоколад. Не кормить шоколадом собак давно стало признаком хорошего тона, а вот до других зверей пока не добрались. Шоколад для птиц вреден, даже не пытайтесь.
- всё сладкое, солёное и жирное — чипсы, орешки, леденцы и прочие человеческие лакомства уткам не подходят.
- орехи
- газировка, кофе и алкоголь. Особенно газировка.
Домашние кошки не едят что попадало — и это не черта характера, а задумка эволюции.
Дело оказалось в том, что у кошек присутствуют гены, присущие травоядным животным.
Таковым, в частности, является ген, отвечающий за восприятие горького вкуса и необходимый для того, чтобы обезопасить их от ядовитых растений или незрелых фруктов.
Горький вкус является для кошек индикатором того, что в еде могут содержаться вредные вещества или даже токсины. В ходе эволюции кошки лишились способности чувствовать сладкий вкус, но по-прежнему отлично чувствуют горький.
За эту способность отвечает набор из двенадцати генов, которые нужны животным, чтобы избежать отравлений и попадания в организм инфекций.
Какими бы милыми не казались толстые кошки, лишний вес для питомцев может стать тяжелым бременем и причиной заболеваний. Вот как с этим можно справиться
Прежде чем изменить рацион вашей кошки, проконсультируйтесь с ветеринаром о том, как лучше это сделать. Ваш ветеринар оценит вес и состояние тела вашего питомца и сможет сказать вам, находится ли в норме вес вашей кошки. Поход к ветеринару важен, потому что назначения врача позволят питомцу не похудеть слишком быстро. Последнее может привести к осложнениям и заболеваниям печени. Лучше всего менять рацион кошки постепенно в течение одной-двух, а иногда трех недель. Но вот несколько советов, которые помогут контролировать вес питомца дома.
Создайте план снижения веса
Кошки - обязательные плотоядные животные. Они эволюционировали, чтобы потреблять мясо. Люди и собаки могут удовлетворить свои потребности в питании при помощи овощей и мяса, но кошки устроены иначе. Поэтому многие кошки будут терять вес более эффективно на диете с высоким содержанием белка и низким содержанием углеводов.
Лучший способ для многих кошек похудеть — это консервированный диетический корм, который дают несколько раз в день. Эта еда, порции которой вы контролируете, будет мешать вашему питомцу целый день грызть сухой корм от скуки.
Через 6-8 месяцев правильной диеты большинство кошек достигают своего идеального веса. Если это длится дольше, что-то нужно изменить. Здоровая потеря веса составляет около 500 г в месяц. Все будет зависеть от самой кошки. Некоторым нужно больше времени, чтобы похудеть, в то время как другие будут терять вес быстрее. Самое главное, чтобы вы и члены вашей семьи были заинтересованы, преданы своему делу и стремились помочь вашей кошке похудеть.
Контролируйте размер порций
Количество пищи, которое получает ваша кошка, будет зависеть от ее возраста, размера, активности и от того, находится ли она в помещении или на открытом воздухе, беременна ли она и кормит ли грудью. Средняя домашняя кошка обычно должна весить примерно 3,6-4,4 кг. Чтобы не кормить кошку слишком много, используйте набор мерных стаканчиков для сухого корма. Эти совки должны иметь тонкие линии, которые указывают примерный объем корма. Они помогут четко отмерять порции и не перекармливать кошку.
Пересмотрите корм питомца
Еда, которую вы даете своей кошке, так же важна, как и ее количество. Если вы кормите свою кошку сухим кормом, держитесь подальше от коммерческого диетического корма. В него часто добавляют воздух, и ваша кошка останется голодной, потому что этот воздух не обеспечивает никакого реального насыщения. Корм для кошек должен быть богат клетчаткой и белком и содержать меньше жиров, углеводов и калорий.
Вместо этого лучше добавить или увеличить количество влажного корма и уменьшить количество сухого корма. Плотность и больше воды дадут вашей кошке ощущение сытости, а количество углеводов и калорий будет намного меньше, чем в сухом корме. Затем ваша кошка может есть больше пищи, не поглощая слишком много калорий. Отличная пропорция — 60% влажного корма и 40% сухого корма.
Ходя в походы или просто отдыхая на природе, важно понимать, как в случае чего защититься от дикого опасного животного. Вот несколько советов, которые могут спасти жизнь
Перед тем, как разобрать методы защиты от опасных животных, для начала стоит разобрать «меры профилактики» или как вести себя при встрече с диким животным в природе. Вот как снизить риск того, что дикое животное нападет на вас:
- Держите свой лагерь в чистоте. Храните несъеденную пищу и остатки в герметичных контейнерах.
- Держите еду и одежду, в которой вы готовили, подальше от своей палатки. Также важно не спать в этой одежде.
- Держите дистанцию и избегайте кормления любых диких животных, особенно тех, которые являются добычей крупных хищников.
- На всякий случай всегда имейте под рукой что-нибудь, чтобы защититься. Кроме того, такие средства сдерживания, как перцовый аэрозоль, могут пригодиться, если животное вас атакует.
- Если вы находитесь в море, где водятся акулы, не уплывайте от берега и оставайтесь на земле на рассвете, в сумерках и ночью. Кроме того, не брызгайтесь, находясь в воде, и снимайте блестящие украшения перед входом в воду.
Что делать, если вас атакует опасное дикое животное
Теперь давайте посмотрим, что лучше всего сделать, чтобы выжить, если дикое животное все же атакует вас. Сразу предупреждаем: следование этим советам на 100% не убережет вас, но позволит снизить риск того, что вы станете добычей хищника.
Медведь
- Не бегите, потому что медведь, скорее всего, будет охотиться на вас, и вы не сможете убежать от него.
- Лягте на живот, не снимая рюкзака, обхватите руками шею и притворитесь мертвым. Кроме того, раздвиньте ноги, чтобы животному было труднее перевернуть вас. Если атаки продолжаются, сражайтесь изо всех сил со всем, что у вас есть, старайтесь попасть в глаза и нос животному.
Примечание: изображать мертвого, если на вас нападает черный медведь, бесполезно, поэтому постарайтесь найти какое-нибудь укрытие, если это возможно. Если нет, сопротивляйтесь изо всех сил и цельтесь в глаза и морду медведя.
Волк
Если вы видите волка, есть большая вероятность, что рядом есть и другие, так как они охотятся стаями. В связи с этим, вот что вы должны делать, если на вас напали:
- Сопротивляйтесь желанию бежать, потому что волки намного быстрее вас.
- Кричите так громко, как только можете. Будьте осторожны, чтобы не споткнуться и не упасть, потому что в этом случае они без колебаний атакуют вас.
- Если вы окружены, встаньте спиной к дереву или чему-то еще и сделайте все возможное, чтобы удержать волков. Если вы окружены, не поворачивайтесь к ним спиной, а встаньте так, чтобы можно было отбиваться при нападeнии с любой стороны.
Лев
Если вы столкнулись с львом, который решил на вас напасть, вот что вам нужно сделать:
- Прежде всего, не поворачивайтесь спиной к этому опасному животному. Медленно отступите, шумите, хлопая в ладоши или крича, и смотрите льву в глаза.
- Попытайтесь казаться больше, подняв руки, куртку или что-нибудь еще. Если животное упорствует в своей атаке, что обычно не так, цельтесь в его голову или глаза и колотите руками или всем, что у вас есть.
Акула
Акулы обычно не интересуются людьми, но время от времени атаки акул все же происходят. Вот что надо делать в таком случае:
- Никогда не поворачивайтесь спиной к акуле в попытке бежать, потому что вы будете казаться добычей.
- Делайте резкие движения, чтобы отпугнуть животное, стоя лицом к нему. Если у вас есть доска для серфинга, рыболовное или водолазное снаряжение или что-то еще, используйте его, чтобы отразить нападeние. Если у вас ничего нет, хватайтесь руками за глаза, жабры и нос акулы, чтобы защититься.
Кажется, наши коты обожают картонные коробки. Для них обычная коробка из-под старых кроссовок может стать и игрушкой, и домом, и самой лучшей подстилкой. Но откуда такой инстинкт? Ученые знают ответ!
Первое и самое простое объяснение любви кошек к коробкам заключается в том, что те представляют собой идеальное укрытие для хищников, охотящихся из засады.
Вторая причина: попав в незнакомую обстановку, кошки испытывают меньший стресс и гораздо быстрее осваиваются, если у них есть укромное место, куда они могут прятаться. Очень часто подобным укрытием в домашней обстановке оказывается именно коробка.
Третья причина: коробка может представлять собой особую «зону безопасности» для кошек, так как у этих животных не выработано стратегического механизма разрешения конфликтных ситуаций. Как правило, столкнувшись с опасностью, кошки предпочитают убежать от проблемы и по возможности избегать ее в дальнейшем.
Наконец, еще одним объяснением обожания кошками картонных коробок может быть желание погреться (особенно, если коробка — из гофрокартона). Идеальная температура воздуха для кошки, при которой ей не нужно дополнительно тратить энергию на то, чтобы согреться, лежит в диапазоне от 30 до 36 °C. А это примерно на 10 градусов выше комфортной температуры для человека.
Как и люди, крысы хранят карты местности, где обитают, в зоне гиппокампа. Здесь «клетки расположения» активируются в различных последовательностях и комбинациях, чтобы помочь проложить определенный маршрут, пока крыса исследует окружающий мир.
Но оказывается, эти клетки активны, даже когда крыса неподвижна, они работают в последовательности, как будто проигрывают в обратную сторону маршрут, который только что преодолело животное. Исследователь Дэвид Фостер из университета Джона Хопкинса решил выяснить, не помогает ли крысе такая перемотка назад следить за тем, где искать хорошую еду.
Чтобы это выяснить, они имплантировали электроды в гиппокамп пяти крысам для измерения одновременной активности 120 клеток в мозге каждого животного. Затем запустили крыс по прямой тропе, с двух сторон которой находились кормушки с жидким шоколадом. Когда исследователи поместили с одной стороны в четыре раза больше шоколада, чем с другой, паттерны обратных воспоминаний у крыс были зафиксированы в два раза чаще, и они стали чаще мысленно проигрывать в голове маршрут
Переживание воспоминаний шаг за шагом словно при замедленной перемотке в обратную сторону позволяет крысе вспомнить первые ориентиры продуктивного маршрута. Исследование опубликовано в журнале Neuron.
Природа сплошь и рядом демонстрирует удивительную однобокость. Ракушки обыкновенных улиток-прудовиков закручиваются строго по часовой стрелке, а мутации, вызывающие закручивание в противоположном направлении, приводят к развитию полностью «зеркального» моллюска, с противоположно расположенными органами. Несколько лет назад биологам удалось найти пару такому «обратному» прудовику; теоретически, они могут стать основателями новой популяции, неспособной спариваться с обычными улитками, и со временем выделиться в новый «зеркальный» вид.
Однако односторонность природы заходит куда глубже анатомии. Аминокислоты, из которых состоят белки, а также входящие в состав нуклеиновых кислот сахара (рибоза и дезоксирибоза) тоже могут быть лево- или правосторонними, как кисти наших рук. Такие изомеры совершенно одинаковы по составу, но отличаются по структуре, как зеркальные отражения друг друга.
С нашей стороны
Их можно различить, пропуская через раствор поляризованный свет, волны которого колеблются в одной определенной плоскости. Одна структура повернет эту плоскость по часовой стрелке, другая – против нее. Даже называют их соответственно: правовращающими (+ или D) и левовращающими (- или L) оптическими изомерами. В остальном же физические и химические свойства таких молекул полностью идентичны. Не существует реакции, которая позволила бы получить только L- или D-аминокислоты, и «в пробирке» они образуются в равной смеси. Их нельзя разделить по температуре кипения или плотности, но вот живые организмы демонстрируют крайнюю избирательность.
Все мы – от мельчайших бактерий до крупных государственных деятелей – используем белки, состоящие только из L-аминокислот, а также ДНК и РНК, включающие только D-сахара. Исключения известны, но они действительно единичны. Например, некоторые бактерии используют D-аминокислоты для синтеза антибиотиков и борьбы с конкурентами. Пара D-аминокислот синтезируется и в организмах млекопитающих, играя роль медиаторов нервной системы. Но все это – капля в зеркальном море жизни.
Ее строгая приверженность L-аминокислотам и D-сахарам, по-видимому, уходит в очень далекое прошлое, вплоть до последнего всеобщего предка, жившего более 3,5 млрд лет назад. Случайность ли это, или в такой конфигурации действительно есть определенный смысл, до сих пор неизвестно. Возможно даже, что жизнь способна быть и «универсальной», – но наша оказалась строго избирательной. Такая особенность позволяет датировать древние останки: со временем L-изомеры спонтанно переходят в D-форму, пока их отношение не станет равным. Скорость этого процесса известна, и по количеству D-аминокислот можно выяснить время смерти образца.
Вглядываясь в отражение
Считается, что первым о возможности существования «зеркальной» жизни, построенной из D-аминокислот и L-сахаров, говорил еще Луи Пастер. Теоретически, биохимия таких организмов будет почти полностью несовместима с нашей. Их ферменты просто не смогут использовать те же субстраты, что и мы, как зеркальный ключ не подойдет к тому же замку. Для биотехнологий такие бактерии могут оказаться настоящим кладом.Синтезировать многие нужные молекулы способны и они, зато ни один вирус не поразит такую «противоположную» культуру. А вирусная угроза нависает над такими производителями постоянно – можно вспомнить катастрофическую эпидемию, которая несколько лет назад привела к закрытию производственных линий компании Genzyme и многомиллионным убыткам. Весьма многообещающей считается и сама возможность массового получения нестандартных изомеров с новыми биологическими свойствами. Например, L-глюкоза способна придавать продуктам сладкий вкус, но при этом не усваивается организмом и, видимо, не приводит к вредным последствиям вроде лишнего веса.
С не меньшим интересом преследуют «зеркальную» жизнь ученые. Их изучение – да хотя бы и сама возможность существования – дали бы массу ценной информации. Мы смогли бы лучше понять, откуда взялась жизнь и как развивалась, какой она может и не может быть на Земле и на далеких небесных телах. Недаром с таким большим энтузиазмом разрабатывает эту тему Димитар Сасселов, известный болгарско-американский астрофизик, специалист по экзопланетам и глава проекта Origins of Life Initiative. Впрочем, его соратники тут не менее знамениты, включая гарвардского биолога Джорджа Чёрча, который прославился созданием полностью искусственных клеток, все компоненты которых синтезированы «в пробирке».
Переход на другую сторону
Стоит заметить, что полностью синтетические белки, собранные из «зазеркальных» D-аминокислот, ученые получали еще в 1990-х. Такая вирусная протеаза ВИЧ-1 была испытана и действительно продемонстрировала избирательность к своим, «зазеркальным» молекулам, – что и требовалось доказать. Но план Димитара Сасселова и Джорджа Чёрча заходит куда дальше. Еще в 2009 команде Чёрча удалось синтезировать «с нуля» работающие рибосомы, клеточные «фабрики» по производству белков. От этой отправной точки ученые и двигаются «на ту сторону зеркала».
Ожидается, что компьютерное моделирование позволит подобрать такую конфигурацию рибосомы, при которой она сможет работать с D-аминокислотами, соединяя их в цепочки белков. Кроме того, синтетические клетки, полученные Чёрчем, включают минимальный набор из примерно 150 генов. Такие РНК – уже в «зеркальной» форме – и можно предоставить для рибосомы в качестве исходных матриц для получения всех ключевых «зеркальных» белков. Такую биохимическую машинерию останется лишь заключить в оболочку, получив первого представителя «с той стороны» (благо, липиды клеточных мембран не обладают изомерией и останутся теми же, что и у нас).
К сожалению, новых сообщений о ходе этих работ нет уже достаточно давно. Зато громкое сообщение было сделано биологами из Китая: в 2016 г. команде Тин Чжу (Ting Zhu) и его коллеги из Университета Циньхуа сумели получить из D-аминокислот важный фермент – полимеразу, которая способна производить «зеркальные» молекулы РНК, используя матрицы «зеркальных» ДНК и нужные компоненты, включая L-рибозу. Это важный шаг может обеспечить искусственные рибосомы всем нужным для работы и массового синтеза белков «обратной» жизни. По словам профессора Чжу, теперь они бьются над следующим шагом – той же, что и у Сасселова и Чёрча, задачей создания «зеркальных» рибосом.
Зазеркальная угроза
Эти работы не так уж и невинны, как может показаться. Во-первых, никто не знает потенциальной токсичности всей массы «зеркальных» молекул, которые будут производить такие организмы. Знаменитая и трагическая история талидомида – тревожное указание на такую возможность. Этот препарат широко применялся в качестве снотворного в США на рубеже 1950-1960 гг., пока не обнаружился его опасный тератогенный эффект, который привел к рождению тысяч детей с тяжелыми врожденными дефектами. Последующие исследования показали, что основную опасность имел лишь один из изомеров этой молекулы, также способной существовать в виде двух альтернативных структур.
Другая потенциальная опасность не столь бросается в глаза. Дело в том, что «зеркальные» бактерии не могут быть патогенами обычных организмов. Однако и сами они оказываются неуязвимы для обычных опасностей и инфекций. Теперь представим, что такая клетка, способная к фотосинтезу, «сбежала» из лаборатории в природу. Недоступная для вирусов, бесполезная для хищников, она будет иметь огромное преимущество перед обычными земными аналогами, вместе с тем конкурируя с ними за многие ресурсы – свет, воду, минералы. «Тогда разверзнется ад», – уверяет американский климатолог Джим Кастинг (Kim Kasting).
По его расчетам, достаточно буквально одной капли суспензии «зеркальных» цианобактерий, чтобы со временем они захватили Мировой океан, вытеснив его современных обитателей и нарушив все пищевые цепочки. Глобальное похолодание и всеобщий голод – лишь одни из возможных последствий нашествия «с той стороны». Впрочем, уже знакомый нам Джордж Чёрч призывает не судить о проблеме сгоряча. «Я мог бы быть в числе первых, кто призывает запретить создание фотосинтезирующих "зеркальных" клеток, – говорит он. – Но вообще я не слишком расположен ограничивать то, чего не существует в природе».
Подросткам, страдающим от лишнего веса, недостает гормона спексина, участвующего в контроле над массой жировой ткани и энергетическим балансом организма. Ранее исследователи уже показали уменьшение его количества у взрослых, однако теперь выявили то же самое в более раннем возрасте.
В кросс-секционном исследовании использовались данные по уровню спексина у 51 подростка с избыточным весом и у 18 подростков с нормальным. С 2008 по 2010 год у них брали образцы крови для измерения в ней количества гормона. После этого исследователи разделяли добровольцев в возрасте 12−18 лет на четыре группы в зависимости от уровня спексина.
Результаты показали, что сильный дефицит гормона был связан с большей вероятностью наличия ожирения — в 5,25 раз выше, чем для детей, у которых его уровень в крови был высоким. При этом дети отличались от взрослых тем, что прием глюкозы натощак никак не влиял на количество спексина.
Ожирение в последние годы принимает характер эпидемии и охватывает 17 процентов детей и подростков в США. Согласно данным эндокринологического общества, на лекарства и посещение педиатра из-за проблем с лишним весом тратится примерно 14 миллиардов долларов в год.
Кросс-секционное исследование направлено на изучение состояния здоровья группы людей в определенный момент времени. Этим оно отличается от изучения одной и той же группы в течение длительного времени для выявления возможных изменений.
Как известно, в ДНК содержится код, по которому синтезируются белки — строительный материал всего организма. Однако не вся ДНК целиком кодирует белки: есть и участки генома, по которым никакие биоактивные молекулы не синтезируются. Их даже называли «мусорной ДНК» (junk DNA): сейчас ясно, что у нее есть своя функция, что это не «мусор» — хотя в чем конкретно состоит задача таких участков, еще предстоит выяснить.
К некодирующим участкам ДНК относятся и интроны — участки генов, которые не содержат генетической информации.
В результате генной экспрессии код из ДНК копируется на РНК, а потом РНК выстраивает белок. В середине этого процесса происходит «сплайсинг» — вырезание интронов из РНК так, чтобы они не мешали синтезу белков. Генетики из Техасского университета зафиксировали в клетках дрожжей случаи «обратного сплайсинга» — а именно, два случая в 2*1011 клетках.
При сплайсинге интрон вырезается из пре-мРНК при помощи сложного комплекса — сплайсосомы. При обратном действии сплайсосома не вырезает интрон, а наоборот, вставляет его в РНК. А во время обратной транскрипции дополненный код становится частью ДНК.
С неправильным удалением интронов из РНК ассоциируют некоторые онкологические заболевания. Понимание того, как эти участки генома появляются и закрепляются, может помочь ученым в лечении рака.
Известный молекулярный биолог Дэвид Пенни из Центра молекулярной экологии и эволюции Аллена Вилсона в новозеландском Университете Массей как-то сказал: «Я бы весьма гордился работой в группе, которая разработала геном кишечной палочки. Однако я бы никогда не признался, что участвовал в проектировании генома человека. Ни в одном университете этот проект не смогли бы настолько испортить». Тема о количестве мусора в нашей ДНК — одна из самых «горячих» тем в научном сообществе. Вокруг этого вопроса среди ученых разгораются настоящие словесные баталии.
Немного молекулярной генетики
Напомним, что в основе передачи наследственной информации лежит двухцепочечная молекула ДНК. Она представляет собой полимер из четырех типов мономеров (нуклеотидов): аденина (A), тимина (T), цитозина (С) и гуанина (G) — и уложена в хромосомы. У человека 23 пары расположенных в ядре хромосом (22 пары неполовых и одна пара половых). Они и составляют основу нашего генома (еще 37 генов содержат кольцевые ДНК митохондрий). Если бы мы взяли одну клетку человека, сшили весь диплоидный (парный) набор хромосом вместе и вытянули в нить, то получили бы молекулу длиной в два метра, состоящую из шести миллиардов пар оснований (нуклеотидов). Три миллиарда от папы и три — от мамы.
Наиболее изученный тип функциональных последовательностей ДНК — гены, кодирующие белки. С таких генов считывается молекула РНК, которая затем играет роль матрицы для синтеза белков и определяет их аминокислотную последовательность. Кодирующая часть молекулы РНК может быть разделена на тройки нуклеотидов (кодоны), которые либо соответствуют некоторой аминокислоте, либо определяют место окончания синтеза белка (стоп-кодоны). Правило соответствия кодонов аминокислотам называется генетическим кодом. Например, кодон GCC кодирует аминокислоту аланин.
Померимся генами?
Когда-то думали, что у столь сложного организма, как человек, должно быть очень много генов. Когда проект «Геном человека» подходил к завершению, ученые даже устроили тотализатор: сколько генов будет обнаружено? Каково же было их удивление, когда оказалось, что количество генов у человека и маленького круглого червя Caenorhabditis elegans примерно одинаковое. У червяка около 20 000 генов, а у нас — 20−25 тысяч. Для «венца творения» факт довольно обидный, особенно если учесть, что существует много организмов как с бОльшим по размеру геномом (геном двоякодышащей рыбы протоптер, Protopterus aethiopicus, в 40 раз больше человеческого), так и с бОльшим количеством генов (у риса — 32−50 тысяч генов).
Но на самом деле у человека менее 2% генома кодируют какие-либо белки. Для чего же нужны остальные 98%? Может, там скрывается секрет нашей сложности? Оказалось, что существуют важные некодирующие участки ДНК. Например, это участки промоторов — последовательностей нуклеотидов, на которые садится фермент РНК-полимераза и откуда начинается синтез молекулы РНК. Это участки связывания транскрипционных факторов — белков, регулирующих работу генов. Это теломеры, защищающие концы хромосом, и центромеры, необходимые для правильного расхождения хромосом по разным полюсам клеток при делении. Известны некоторые регуляторные молекулы РНК (например, микроРНК, препятствующие синтезу белков соответствующих генов на матричной РНК — копии гена-исходника), а также молекулы РНК, входящие в состав важных ферментативных комплексов — например, рибосом, которые собирают из отдельных аминокислот белки, передвигаясь по матричной РНК. Есть и другие примеры важных некодирующих участков ДНК.
Тем не менее бОльшая часть нашего генома напоминает пустыню: повторяющиеся последовательности, останки «мертвых» вирусов, которые когда-то давно встраивались в геномы наших предков; так называемые эгоистичные мобильные элементы — последовательности ДНК, способные перескакивать из одного участка генома в другой; различные псевдогены — нуклеотидные последовательности, утратившие способность кодировать белки в результате мутаций, но все еще сохранившие некоторые признаки генов. Это далеко не полный список «призраков», обитающих на «кладбище генома».
Идея тотализатора по поводу числа человеческих генов пришла в голову доктору Эвану Бирни в баре при лаборатории в Колд-Спринг-Харбор незадолго до завершения проекта «Геном человека». По мере приближения к финалу, с 2000 по 2002 год, ставки выросли с 1 доллара до 20. В результате банк разделили «на троих»: Пол Дир из Британского совета по медицинским исследованиям, который еще в 2000 году поставил на дату своего рождения — 27.04.1962 — 27 462, Ли Роуэн из Института системной биологии в Сиэтле — в 2001 году она поставила на число 25 947, и Оливер Джейлон из французской компании Genoscope (26 500). Когда главного победителя — доктора Дира — спросили, как ему удалось еще три года назад, когда все думали, что генов у человека не меньше 50 000, угадать число с такой точностью, он ответил: «Дело было в баре, глубокой ночью. Наблюдая за поведением пьющих людей, я подумал, что оно мало отличается от поведения мух-дрозофил, у которых 13500 генов, а потому мне показалось, что удвоенного числа мушиных генов людям вполне достаточно».
Минимальная мышь
Существует точка зрения, что бОльшая часть генома человека нефункциональна. В 2004 году журнал Nature опубликовал статью, описывавшую мышей, из генома которых были вырезаны значительные фрагменты некодирующей ДНК размером в 0,8 и даже 1,5 млн нуклеотидов. Было показано, что эти мыши не отличаются от обычных строением тела, развитием, продолжительностью жизни или способностью оставлять потомство. Разумеется, какие-то отличия могли остаться незамеченными, но в целом это был серьезный аргумент в пользу существования «мусорной ДНК», от которой можно избавиться без особых последствий. Конечно, было бы интересно вырезать не пару миллионов нуклеотидов, а миллиард, оставив только предсказанные последовательности генов и известные функциональные элементы. Удастся ли вывести подобную «минимальную мышь», и сможет ли она нормально существовать? Может ли человек обойтись геномом длиной лишь в полметра?
Возможно, когда-нибудь мы об этом узнаем. Тем временем еще один важный аргумент в пользу существования мусорной ДНК — наличие достаточно близких организмов с очень разными размерами геномов. Геном рыбы фугу примерно в восемь раз меньше, чем геном человека (хотя генов в нем примерно столько же), и в 330 раз меньше, чем геном уже упомянутой рыбы протоптер. Если бы каждый нуклеотид в геноме был функционален, то непонятно, зачем луку геном в пять раз больший, чем у нас?
На колоссальные различия в размерах геномов сходных организмов обратил внимание эволюционный биолог Сусуму Оно. Считается, что именно Оно ввел термин «мусорная ДНК» (junk DNA). Еще в 1972 году, задолго до того, как был прочитан геном человека, Оно высказал правдоподобные представления как о количестве генов в геноме человека, так и о количестве «мусора» в нем. В своей статье «Столько мусорной ДНК в нашем геноме» он отмечает, что в геноме человека должно быть около 30000 генов. Это число, на тот момент совсем не очевидное, оказалось удивительно близко к реальному, которое узнали десятки лет спустя. Кроме того, Оно приводит оценку функциональной доли генома (6%), объявляя более 90% генома человека мусором.
Находка или мусор?
Вызов представлению о существовании мусорной ДНК бросил проект ENCODE — The Encyclopedia of DNA Elements, «Энциклопедия элементов ДНК» (первые его результаты опубликованы в журнале Nature в 2012 году). Получив многочисленные экспериментальные данные о том, какие части генома человека взаимодействуют с различными белками, участвуют в транскрипции — синтезе РНК-копий генов для последующей трансляции (синтеза белка из аминокислот на матрице информационной РНК) — или других биохимических процессах, авторы пришли к выводу, что более 80% генома человека так или иначе функциональны. Разумеется, данный тезис вызвал бурное обсуждение в научном сообществе.
Одна из наиболее ироничных статей, опубликованная Дэном Грауром, специалистом по молекулярной эволюционной биоинформатике, профессором Хьюстонского университета, и его коллегами в 2013 году в журнале Genome biology and evolution, называется так: «О бессмертии телевизоров: "функция" в геноме человека по лишенному эволюции Евангелию от ENCODE». Ее авторы отмечают, что отдельные члены консорциума ENCODE расходятся в том, какая часть генома функциональна. Так, один из них вскоре уточнил в журнале Genomicron, что речь идет не о 80% функциональных последовательностей в геноме, а о 40%, а другой (в статье в Scientific American) и вовсе снизил показатель до 20%, но при этом продолжал настаивать, что термин «мусорная ДНК» нужно устранить из лексикона.
По мнению авторов статьи «О бессмертии телевизоров», члены консорциума ENCODE слишком вольно интерпретируют термин «функция». Например, существуют белки, которые называют гистонами. Они могут связывать молекулу ДНК и помогают ей компактно укладываться. Гистоны могут подвергаться определенным химическим модификациям. Согласно ENCODE, предположительная функция одной из таких модификаций гистонов — «предпочтение находиться в 5'-конце генов» (5'-конец — это конец гена, от которого движутся ферменты ДНК- и РНК-полимеразы при копировании ДНК или при транскрипции). «Примерно так же можно сказать, что функция Белого дома — занимать площадь земли по адресу 1600, Пенсильвания-авеню, Вашингтон, округ Колумбия», — отмечают оппоненты.
Иногда в СМИ можно услышать некорректную фразу «генетический код мутировал». Но мутации происходят не в коде, а в молекуле ДНК (в геноме). В результате меняются нуклеотидные последовательности. Это можно сравнить с заменой буквы в слове. Например, фраза «Маша ехала на мотоцикле» превращается во фразу «Саша ехала на мотоцикле», если одна буква М «мутировала» в букву С. Изменение генетического кода намного серьезней — это как изменение алфавита. Представим, что во всем тексте буква М внезапно превратилась в букву К. Теперь у нас «Каша ехала на котоцикле». Понятно, что такие изменения приводят к значительным последствиям и поэтому в природе происходят крайне редко. Но происходят! Например, у некоторых инфузорий один из стоп-кодонов может кодировать аминокислоту глутамин. Но это скорее исключение, чем правило. У большинства организмов один и тот же генетический код: например, у человека, у червяка или огурца. А вот геномы у этих организмов различаются очень сильно. Тот же алфавит, но другой текст.
Возникает проблема и с приписыванием функции участкам ДНК. Предположим, что к определенному участку ДНК способен прикрепляться важный для функционирования клетки белок, и поэтому ENCODE приписывает этому участку «функцию». Например, некоторый транскрипционный фактор — белок, инициирующий синтез информационной (матричной) РНК — связывается со следующей последовательностью нуклеотидов: TATAAA. Рассмотрим две идентичные последовательности TATAAA в разных частях генома. После того как транскрипционный фактор связывается с первой последовательностью, начинается синтез молекулы РНК, служащей матрицей для синтеза другого важного белка. Мутации (замены любого из нуклеотидов) в этой последовательности приведут к тому, что РНК будет считываться плохо, белок не будет синтезирован, и это, скорее всего, негативно скажется на выживании организма. Поэтому правильная последовательность TATAAA будет поддерживаться в данном месте генома с помощью естественного отбора, и в этом случае уместно говорить о наличии у нее функции.
Другая последовательность TATAAA возникла в геноме по случайным причинам. Поскольку она идентична первой, с ней тоже связывается транскрипционный фактор. Но никакого гена рядом нет, поэтому связывание ни к чему не приводит. Если в этом участке возникнет мутация, ничего не изменится, организм не пострадает. В данном случае говорить о функции второго участка TATAAA нет смысла. Впрочем, может оказаться, что наличие в геноме большого количества последовательностей TATAAA вдали от генов нужно просто для того, чтобы связывать транскрипционный фактор и уменьшать его эффективную концентрацию. В таком случае отбор будет регулировать число таких последовательностей в геноме.
Чтобы доказать, что некоторый участок ДНК функционален, недостаточно показать, что в этом участке происходит некий биологический процесс (например, связывание ДНК). Члены консорциума ENCODE пишут, что функцией обладают участки ДНК, которые вовлечены в транскрипцию. «Но почему нужно акцентировать внимание на том, что 74,7% генома транскрибируется, в то время как можно сказать, что 100% генома принимает участие в воспроизводимом биохимическом процессе — репликации!», — снова шутит Граур.
Хорошим критерием функциональности участка ДНК является то, что мутации в нем достаточно вредны и значительные изменения этого участка не наблюдаются из поколения в поколение. Как определить такие участки? Здесь на помощь и приходит биоинформатика, современная наука на стыке биологии и математики об анализе последовательностей генов и белков. Мы можем взять геномы человека и мыши и найти в них все похожие участки ДНК. Окажется, что у этих двух видов какие-то участки последовательностей нуклеотидов очень похожи. Например, гены, необходимые для синтеза рибосомальных белков, довольно консервативны, то есть мутации в них достаточно вредны, чтобы носители новых мутаций вымирали, не оставляя потомства. Про такие гены говорят, что они находятся под отрицательным отбором, очищающим от вредных мутаций. Другие участки геномов будут иметь значительные расхождения между видами, что указывает на то, что мутации в этих участках, скорее всего, безвредны, а значит, их функциональная роль невелика или не определяется конкретной последовательностью нуклеотидов. В ряде работ оценили долю участков ДНК человека, находящихся под давлением отрицательного отбора. Оказалось, что к ним относятся только около 6,5−10% генома, причем некодирующие участки, в отличие от кодирующих, гораздо меньше подвержены отрицательному отбору. Получается, что с точки зрения эволюционных критериев функциональны менее 10% генома человека. Обратите внимание, как близок к этой оценке был Оно в 1972 году!
Мусорная крепость
Но неужели остальные 90% генома человека — мусор, от которого лучше избавиться? Не совсем так. Есть соображения, что большой размер генома может быть полезен сам по себе. У бактерий репликация генома служит серьезным ограничивающим фактором, требующим значительных затрат энергии. Поэтому их геномы, как правило, маленькие, а от всего лишнего они избавляются. У крупных организмов, как правило, репликация ДНК делящихся клеток вносит не столь большой вклад в общее количество энергозатрат организма на фоне расходов на работу мозга, мышц, органов выделения, поддержания температуры тела и т. д. В то же время большой геном может быть важным источником генетического разнообразия, увеличивая шансы на появление новых функциональных участков из нефункциональных за счет мутаций, потенциально полезных в процессе эволюции. Мобильные элементы могут переносить регуляторные элементы, создавая генетическое разнообразие в регуляции работы генов. То есть организмы с крупными геномами теоретически могут быстрее адаптироваться к условиям среды, расплачиваясь сравнительно небольшими дополнительными затратами на репликацию более крупного генома. Подобный эффект мы не обнаружим у отдельного организма, но он может играть важную роль на уровне популяции.
Наличие крупного генома может также уменьшать вероятность того, что какой-нибудь вирус встроится в функциональный ген (что может привести к поломке гена и в ряде случаев к раку). Иными словами, не исключено, что естественный отбор может действовать не только на поддержание конкретных последовательностей в геноме, но на сохранение определенных размеров генома, нуклеотидного состава в некоторых его участках и т. д.
Впрочем, хотя идея, что только 80% или даже 20% генома человека функциональны — спорна, это вовсе не значит, что критике подлежит весь проект ENCODE. В его рамках получено огромное количество данных о том, как разные белки связываются с ДНК, информации о регуляции генов и т. д. Эти данные представляют большой интерес для специалистов. Но едва ли в ближайшее время удастся избавиться от «мусора» в геноме — как от концепции, так и от самих ненужных последовательностей.
Автор — научный сотрудник сектора молекулярной эволюции ИППИ РАН
Автор благодарит Евгению Дуеву и Юрия Панчина за помощь в написании статьи. Редакция выражает благодарность сайту «Биомолекула».