Die Fliegenklatschen-Saison ist da. Kaum stellen Sie Ihre frischen Erdbeeren auf die Küchentheke, kommt die erste Fruchtfliege. Es wird nicht lange dauern, bis ein Trupp von Drosophila-Kumpels über der Beute schwebt.
Wenn Sie sich entscheiden, zu schlagen, zu wischen, zu schlagen, mit der Rückhand zu schlagen oder anderweitig Ihren insektiziden Neigungen nachzugehen, verschwenden Sie keinen Lernmoment. Alles, was Sie tun müssen, ist diese zeitlose Maxime anzunehmen: Kennen Sie Ihren Feind. Die Fruchtfliege, ein Grundnahrungsmittel des Labors, hat sich als unerschöpfliche Quelle biologischer Inspiration und des Wissens darüber erwiesen, wie sich Gehirn und Körper entwickeln und funktionieren.
Lektion eins: Fruchtfliegen gibt es schon länger als wir – viel länger
Höchstwahrscheinlich scheitern Sie kläglich an Ihrem Eifer, Ihre hauseigenen Fruchtfliegen loszuwerden. Es ist nicht so, dass du unfähig bist, deine tödlichen Schläge aneinanderzureihen. Es ist nur so, dass die Evolution die winzigen Gehirne, Flügel, Sinnessysteme, Muskeln und inneren Organe der Fliegen in der Kunst des Überlebens verfeinert hat seit etwa 40 Millionen Jahren. Das sind 38 Millionen Jahre mehr, als wir Homo sapiens gebraucht haben, um uns von unseren Australopithecus-Vorfahren zu entwickeln. Fruchtfliegen sind viel länger in der Evolutionsschule als die Menschheit.
Lektion zwei: Fruchtfliegen sind in der Wissenschaft Kult
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war Thomas Hunt Morgan von der Columbia University einer der ersten Forscher, der sich dieses unwissentliche Geschenk an die Wissenschaft zu eigen machte. Im Jahr 1910 bemerkte Morgan, dass er Mutationen leicht erkennen konnte, wie zum Beispiel große weiße Augen anstelle der üblichen großen roten Augen der Fliegen. Er und seine Laborkollegen lernten, wie man diese physischen Mutationen mit bestimmten genetischen Abschnitten verknüpft, die sich entlang der Chromosomen der Insekten befinden.
Seitdem sind diese winzigen Arthropoden beliebte und aufschlussreiche Forschungspartner geblieben. Vieles von dem, was wir über Genetik, Vererbung, biologische Entwicklung, Sensorik, viele Krankheiten und unzählige andere Facetten der Biologie wissen, haben wir den Fruchtfliegen zu verdanken. Eine kürzlich durchgeführte Umfrage der Fruchtfliegenforschungsgemeinschaft ergab, dass eine Schätzung von mehr als 6.000 „Fliegenarbeitern weltweit konservativ erscheint“.
Lektion drei: Fruchtfliegen sind winzige Houdinis
Wenn eine Fruchtfliege mit einer Bedrohung konfrontiert wird, kann sie fast augenblicklich reagieren. Um grundlegende Ausweichbewegungen ausführen zu können, muss das Insekt schon im Larvenstadium genau verfolgen, wo sich sein Körper im Raum befindet. Dieser Körperortsinn, der allen Tieren gemeinsam ist, wird als Propriozeption bezeichnet. Es ermöglicht dem Menschen beispielsweise, zu wissen, wo sich seine Gliedmaßen befinden, ohne sie direkt anzusehen, und bei jeder Bewegung Feineinstellungen vorzunehmen, z. B. wenn er nach einer Erdbeere greift.
Wesley Grueber, Ph.D., und seine Kollegen am Zuckerman Institute in Columbia entdeckten, dass eine Sammlung von Sinneszellen in der Fliege es ihr ermöglichen, während der Bewegung genau zu verfolgen, wo sich verschiedene Körperregionen befinden.
Dr. Grueber weist darauf hin, dass ähnliche Zellen und Schaltkreise wahrscheinlich aktiv werden, wenn Fliegen diese Fluchtsequenzen in der Luftfahrt ausführen, die Sie in der Küche fluchen lassen. Das heißt, es sei denn, Ihre geschickt ausgeführten Rückhand zerquetschen die fliehenden Fruchtfliegen, sodass sich ihre frühere und prächtige Verbindung von Form und Funktion in entropische, funktionslose Flecken verwandelt.
Lektion vier: Fruchtfliegen haben sozusagen 1.600 Augen
Wenn Sie die Nachwirkungen einer erschlagenen Fruchtfliege durchgehen könnten 580.000 oder so Zellen, würden Sie zumindest einige der 800 lichtsammelnden Facetten oder Ommatidien finden, aus denen jedes Fliegenauge besteht. Vielleicht finden Sie auch Überreste der 200.000 Neuronen, aus denen das Nervensystem der Fliege besteht, und damit die Schaltkreise, mit denen sie die Welt gesehen hat.
Sie würden auch in das Gebiet von Rudy Behnia, Ph.D., einem leitenden Ermittler am Zuckerman Institute, wandern. Dr. Behnia hat sich unter anderem ausgetobt die zellulären Schaltkreise und Berechnungen, die dem Farbsehen von Fruchtfliegen zugrunde liegen.
„Spektrale Informationen in der Welt sind sehr reich und Fliegen könnten sie zur Objekterkennung verwenden“, sowie zur Bestimmung der Tageszeit und zur Navigation mit Hinweisen auf den Sonnenstand aus der Farbe des Himmels, sagt Dr. Behnia.
Wie Ihr schrecklicher Schlagdurchschnitt beim Fliegenzerquetschen zeigt, wissen Ihre Insektenfeinde, dass Ihre mörderische Hand kommt. Diese Informationen stammen von Signalverzögerungsschaltkreisen, die in das visuelle System der Fruchtfliege eingebaut sind. Wenn sich die anfänglichen sensorischen Signale zwischen Ommatidien ändern, wie es passiert, wenn Ihre Hand durch das Sichtfeld einer Fliege streicht, enthalten die resultierenden Signalmuster tiefer im Gehirn der Fliege Informationen über die Richtung, in die sich Ihre Hand bewegt.
Fügen Sie nun die Phototaxis der Fliege hinzu, die zu ihrer Fähigkeit beiträgt, ultraviolettes Licht zu erkennen und sich dorthin zu bewegen, und Sie haben die neurobiologische Grundlage für einen Fluchtplan. „Da die meisten Objekte in der Natur ultraviolette Strahlung eher reflektieren als absorbieren, ist die Hauptquelle natürlicher UV-Strahlung der offene Himmel“, erklärt Dr. Behnia. Das bedeutet, dass Sie, wenn Sie eine Fruchtfliege sind und feststellen, dass Übelwollen auf Sie zukommt, diesem UV nur in den offenen Himmel folgen müssen.
Lektion fünf: Fruchtfliegen machen verblüffende Mathematik, alles in ihren Köpfen
Um ihren Kurs durch die Welt zu planen und Flugbahnen in Zeiten der Gefahr zu entkommen, verwenden Fruchtfliegen externe Referenzpunkte, wie den Sonnenstand, zusammen mit ernsthafter mentaler Mathematik.
„Die Fliegen machen Trigonometrie“, sagt Larry Abbott, Ph.D., Co-Direktor des Zentrums für Theoretische Neurowissenschaften am Zuckerman Institute. „Es ist unglaublich.“
Die mentalen Berechnungen einer Fliege beginnen mit der Darstellung von Vektoren, mathematischen Pfeilen mit Winkeln und Längen, die selbst die Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung darstellen. Dr. Abbott und seine Kollegen entdeckten, dass die Fliegen wellenförmige Muster verwenden der Gehirnaktivität, um diese Vektoren zu kodieren. Die Amplituden und Phasen dieser neuronalen Wellenmuster stimmen mit den Längen und Winkeln der entsprechenden Vektoren im tatsächlichen Raum überein.
„Fliegen führen die Arten von Vektorberechnungen durch, die oft in einführenden Physikkursen zugewiesen werden, aber sie tun dies auf eine Weise, die normalerweise in solchen Kursen nicht gelehrt wird“, sagt Dr. Abbott und fügt hinzu, dass er sich auf die Ankunft später in diesem Sommer freut. an einen neuen Kollegen am Zuckerman Institute, Dr. Gwyneth Card. Sie wird die neuronalen Schaltkreise untersuchen, die Fliegen verwenden, um genau zu entscheiden, welche Fluchtreaktion sie ausführen sollen, beispielsweise wenn eine bedrohliche menschliche Hand ihren persönlichen Raum verletzt.
Lektion sechs: Die gleichen Gene, die Menschen züchten, züchten Fliegen
Eine Fliege enthält eine halbe Million Zellen, die auf mehr als 200 Zelltypen verteilt und in Körperteile organisiert sind, die von den Antennen auf der Vorderseite ihres Kopfes bis zu den Haaren auf ihrem Hinterkopf reichen. Dieser ausgeklügelte Körperplan entsteht aus einem befruchteten Ei dank nur acht Genen in der Hox-Familie: den Meisterdirigenten der Entwicklung.
Über viele Jahre hinweg hat Richard Mann, Ph.D., ein weiterer Zuckerman-Neurowissenschaftler, der Fruchtfliegen studiert, herausgefunden, wie Hox-Gene, Transkriptionsfaktoren und viele andere Gene und Proteine ihre Fliegenbauleistungen nach einer brillanten Logik koordinieren der biologischen Entwicklung. Was Wissenschaftler über diese Logik in Modellorganismen wie Fruchtfliegen erfahren, deutet oft auf eine analoge Entwicklungslogik beim Menschen hin, sagt Dr. Mann. Er betont, dass die genetische Gemeinsamkeit von Menschen und Fruchtfliegen über Entwicklungsgene hinausgeht. Mann: „So viele menschliche Gene finden sich auch in Fliegen und ein Großteil der menschlichen Krankheitsgene findet sich auch in Fliegen.“
Lektion sieben: Fruchtfliegen sind Symphonien genetischer und zellulärer Noten
Minoree Kohwi, Ph.D., Hauptforscherin am Zuckerman Institute, extrahiert noch mehr biologische Erkenntnisse aus Fruchtfliegengenen. Sie hat die spezifischen Orte und Zeiten identifiziert, in denen Entwicklungsgene in aufeinanderfolgenden Generationen von Zellen einer wachsenden Fruchtfliege aktiv werden.
„Stellen Sie sich jedes Gen als eine einzelne Musiknote vor: Eine Note an sich ist ein isolierter Klang, aber spielen Sie jede Note zur richtigen Zeit für genau die richtige Dauer, und Sie erhalten eine wunderschöne Symphonie“, sagte Dr. Kohwi.
Eine der großen Fragen, die sie beantworten möchte, lautet: „Wie werden die Tausenden verschiedener Zelltypen auf so organisierte Weise produziert, dass sie eine ordnungsgemäße Gehirnfunktion ermöglichen?“
Das Labor von Dr. Kohwi deckt die Ursprünge der vielen verschiedenen Zelltypen eines Fliegengehirns auf und trägt damit dazu bei, die Ursprünge einer ähnlichen Vielfalt von Zellen in ihrem eigenen Gehirn aufzudecken. Ihre Forschung geht tief in die molekularen Grundlagen des Lebens ein, indem sie aufdeckt, wie und wann Entwicklungsgene an verschiedene Orte innerhalb des Zellkerns wandern. Diese Migrationen regulieren, wann bestimmte Entwicklungsgene aktiv sind und wann sie unterdrückt werden. Und diese An-Aus-Sequenzen, sagt Dr. Kohwi, „bestimmen letztendlich, wann jeder Gehirnzelltyp während der Entwicklung hergestellt werden kann.“
Ein Wunder zerquetschen
Nur wenige Drosophila-Forscher würden zweimal darüber nachdenken, die frischen Früchte auf ihren Tischen mit tödlicher Gewalt zu verteidigen. Aber aufgrund dessen, was sie über die Wunder der Fruchtfliegen wissen, können Sie in dem Moment, in dem Sie das Schlagen hören, einen Anflug von Fliegenbewunderung auf ihren Gesichtern sehen.