Category: техника

Category was added automatically. Read all entries about "техника".

Радио-трекинг стрекоз (Radio-tracking of dragonflies)

Вернулся с Куршской косы, где мы неделю назад начали (и еще проводим) пилотную работу по изучению миграции насекомых, а именно крупных стрекоз, методом автоматической радио-телеметрии. Две автоматические радиовышки регистрируют перемещение стрекоз вдоль косы в районе ~12 км в режиме 24/7. Гипотеза состоит в том, что весной наблюдаются 1-2 генерации стрекоз, летящих в северном направлении, следуя за green waves. Работа проводится совместно с Marie Curie Fellow Майлсом Менсом (Myles Menz) из Max Plank Institute for Animal Behaviour (теперь они и мигрирующих насекомых изучают). Пока о миграции стрекоз известно очень мало, поэтому в фокусе очень простые вопросы: действительно ли исследуемые виды мигрируют на север, и если да, то какова скорость и timing миграции (время суток)

Картинки для привлечения внимания

Стрекоза с радиотэгов. Тэг весом ~0.29 г при весе стрекоз 0.8-1.0 г прикреплен снизу на вентральную часть торакса, антенна вдоль подвижного брюшка). Вид на картинке, если я не ошибаюсь, Aeschna isoscelens (green eyed hawker). Максимальная дистанция приема beeper радиосигналов (простые пульсы на индивидуальных частотах) порядка 1000 м line of sight, но это всегда многосоставная функция из силы испускаемого сигнала, gain антенны и порога чувствительности приемника



Вышки располагаются на столбах, чтобы антенны "пробивали" максимальную дистанцию над густой растительностью.



Приемники (hardware/software) основаны на системе Motus (link, link). В основе лежит single board computers (у нас это Raspberry Pi 3) + 16-bit USB dongle, оцифровывающий аналоговый сигнал, принимаемый 9-element направленной Яги антенной. Данные автоматически скачивают на сервер по GPRS/LTE, а далее на компьютеры пользователей для анализа и визуализации с помощью custom written R scripts. 

Японец, МКС, Icarus и дрозды

Мы тут начали проект по проверке гипотез навигации птиц с использованием трекеров на основе мобильной связи. Пока мы просто тестируем методику чтобы понять, может ли мы на больших расстояниях отслеживать перемещения воробьиных птиц (черных дроздов). Подробности ниже.

Вводная. Обычно для подобных задач мы использовали ориентационные тесты в так называемых круглых клетках (птицы в миграционном состоянии прыгают в алюминиевых конусах в миграционном направлении) и лишь в немногих случаях свободнолетящих птиц и радио-телеметрию (в последнем случае сигналы радиопередатчиков от улетающих в неком направлении птиц можно регистрировать на приемнике максимум на расстояниях 2-5 может 10 км, не  больше). При этом, довольно обычна ситуация, что миграционный бросок какой-нибудь воробьиной птицы в пределах Европы - 100-200 км за одну ночь (несколько часов полета со скоростью ~50 км/ч), т.е. район по контролем даже локальной сети радиостанций довольно ограничен по сравнению с масштабом даже однодневного перемещения птицы. Работаем мы с одиночно летящими мигрантами т.к. у них нет социального фактора, т.е. все навигационные решения они совершают самостоятельно (ошибка в результате наших магнипуляций с их сенсорными системами не может быть исправлена за счет следования за "нормальными" конспецификами). В основном в этой категории мигрантов, которых реально наловить (т.е. многочисленные в наших отловах), насекомоядные воробьиные птицы, мигрирующие ночью (зарянки, славки, камышевки, мухоловки) и намного реже насекомоядные неворобьиные (н-р обык кукушка).

Теперь мы пытаемся сделать следующий шаг и прослеживать перемещение наших модельных видов птиц из обозначенной категории на расстояниях, сопоставимых со всем миграционным путем (сотни км). Для этого мы должны учитывать следующее. Из набора обозначенных видов самые крупные - это дрозды и кукушки (обе группы в пределах 90-110 г веса). Особенно много в наших отловах черных дроздов, поэтому мы работаем с ними. Т.к. в нашей области действует правило "старайся не прикреплять к птице больше 5% от массы тела" (иначе птица может вообще не полететь или на ее поведение устройство будет заметно сказываться), то это накладывает ограничения на размер девайсов - в пределах 4-5 г, ну максимум 6 г. Короче жесткие ограничения несмотря на довольно существенную миниатюризацию электроники в последние годы. Эти 4-6 г должны включать: электронная плата + батарейка + заливка + лямочки для прикрепления на спину в виде рюкзачка (т.н. leg loop harness). Многие девайсы на рынке с GPS технологиями + отсылкой данных удаленно на сервер, в свете довольно сильной энергозатратности GPS и мобильных модемов, всё еще весят прилично выше необходимой массы. Есть устройства весом 5 г с отсылкой данных на спутники ARGOS, но из-за монополии или олигополии на этом рынке (основной производитель - одна американская компания), цены на подобные устройства для наших выборок (нам нужно для каждой группы птиц по 5-10 передатчиков) неподъемные. За одно устройство $3,500 + примерно столько же берет ARGOS за обслуживанием каждого устройства за год. Поэтому ARGOS трекеры мы не используем. Что остается. По крайней мере два варианта.

1) Надежда на пресловутый Icarus project, который многие movement ecologists ждут с 2006 г., а он всё не приходит. Это можный приемник с антенной и компьютером на МКС. В феврале уже доставлено оборудование и несколько российских космонавтов в январе и феврале этого года проходили обучение (как крепить Icarus антенну) на базе Центра космонавтики в Королеве.




По планам смена текущего экипажа МКС на этих новых бойцов должно было пройти в мае. Вот что писал Роскосмос в феврале.

Collapse )


Т.е. проведена тренировка с Олегом Артемьевым и Сергем Прокопьевым. Но на сейчас есть какие-то непонятные слухи, что один из членов текущего экипажа МКС (он вот тут), вроде бы вот этот японец Норишиге Канаи, "не хочет" меняться, т.е. остается дольше ранее запланированного. Вроде бы как я слышал, что это может отложить на некоторый срок монтажные работы, т.к. возможно кому-то, Олегу или Сергею, придется пока остаться на Земле (а для монтажа вроде нужны оба). Так ли это, один ли это только космонавт или его могут подменить иные, и задерживается ли японец или нет и если да, то насколько - пока мне непонятно.

2) Вариант второй, от больших космическо-политическо игр независимый

Короче всё что происходит с Icarus на решающих стадиях проекта увлекательно ибо "корабли бороздять просторы Большого т." но пока это не работает и когда заработает - непонятно. Альтернативой является использование уже имеющейся телекоммуникационной инфраструктуры, например вышек мобильной связи. Тут тоже всё не просто. После долгих поисков мы таки нашли девайс, который бы со скрипом нам обеспечивал 4-6 г. Это прототипы, но довольно tunr-key & off-the-shelf устройства, произведенные молодой американской компанией, производящей трекеры для широкого рынка - трегинг людей и asset tracking (основатели - парни из России). Эта компания по маркетинговым причинам не вывела на рынок эти девайсы первого поколения. Трекер этот программируется через app на мобильном телефоне. В частности его режим просыпания и засыпания. Когда он просыпается, скажем раз в сутки в определенном время, то им замеряется уровень сигнала разных мобильным операторов в GSM антенне и мобильная вышка, вероятно с самым сильным сигналом (хотя точно не ручаюсь за алгоритм), берется как proxy нахождения трекера (хотя мобильная вышка эта может быть от нескольких метров до нескольких км, до 20-30 км) от трекера. ID мобильной вышки (а из сигнала каждой вышки это вычленяется) посылается по USSD соединению, который устанавливает трекер с этой вышкой, на сервер компании-производителя трекера. Используя открытую базу данных, в которой для всех мобильных операторов указано географическое расположение всех вышек можно в app увидеть proxy расположение трекера. Как вы понимаете, точность оказывается плюс минус 0-30 км, но для масштабов перемещения наших птиц это приемлимо.

Вот как выглядят трекеры на наших дроздах (прототипы, которые пока увы работают не стабильно).






Всё хорошо, но проблем тоже предостаточно. В частности, указанные ограничения на массу сильно ограничивают выбор батареек куда-то в район 75-100 mAh (Lipo батарейки, т.к. у них хорошая energy density), что уже дает 6-7 г. устройство. Выше по массе для батареек некуда, хотя решило бы наши проблемы легко. Далее при запуске прошивки (firmware) данный трекер видимо довольно капризен и требователен к peak current. Поэтому нам не просто нужны маленькие батарейки (мы остановились на 75 mAh), а еще их модификации с высоким C rating (это электротехническая х-ка, показывающая какие пиковые потребления может батарейка обеспечить, т.е. к примеру 75 mAh 15C/30C continious/peak current батарейка может обеспечивать 75 * 30 = 2250 mA = 2.25 A краткосрочного пика тока и 75 * 15 = 1.12 A постоянного потребления). Однако по-видимому даже эти х-ки на пределе требований для энергопотребления + у данных батареек огромный разброс по этим характеристикам, даже если все они заявлены как одинакомые. Т.е. далеко не все батарейки запускают трекеры и пока мы не особо разобрались почему так (может быть peak current при запуске прошивки дляться довольно долго и только малая часть батареек стравляются с покрытием таких пиковых токов, а остальные после короткого пика "выдыхаются" и прошивка не запускается). Короче тестируем и посмотрим, что мы в результате получим.

Так и живем - надеемся на космические технологии, а сами возимся с капризными трекерами и батарейками. 

ATLAS / Vildehaye automated radio-tracking system

Для моего РНФ гранта, мы постепенно собираем и скоро начнем тестировать вот эту систему, разработанную израильскими учеными в Tel Aviv Uni and Hebrew University of Jerusalem. На видео показана система в ее первоначальном варианте (работа в режими reverse-GPS, когда несколько 5-10, приемных радиостанций очень точно, до нескольких метров, расчитывают положение источника радио сигнала за счет малюсеньких задержек во времени прихода радиоволн на разные станции). Всё это визуализируется в их программе Kamadata в реальном времени. Мы по крайней мере по началу, не будет использовать reverse-GPS режим (слишком уж дорогие радиостанции, т.к. они должны быть GPS disciplined clocks + sample rate 100 MPS), а только presence/absence, но потенциал у системы всё равно большой (правда и steep learning curve признаться тоже). Станции состоят из любого компьютера с установленными free open source программами (например, это может быть Raspberry Pi с Ubuntu 16, на нем Java машинка, прога ATLAS, написанная под Java, возможно еще Kamadata, если хочется визуализирова данные, высасываемые с сервера). Комп подключен к LaunchPad (разработческая плата с трансивером, т.е. интегрированным ресивером и трансмиттером в одном чипе) от Texas Instruments. ЛончПад к антенне (они используют показанные на видео omnidirectional хлыст на возвешенном месте. Ну питание конечно. Хорошо, когда данные сразу сваливаются на сервер по USB модему (тогда real live стриминг возможен). Радиотрансмиттеры с открытой архитектурой и их можно заказывать за недорого. Они могут быть перепрограммированы под разные условиях работы (периоды посылания пакетов, содержимое пакетов, периоды посылания и приема пакетов от базовой станции, которая может посылать пакеты тэгам и переключать их режим работы). Короче, система умная, но catch  в том, что пока всё довольно в начальной стадии (большие огрехи правда уже решены, но новые всегда появляются). Learning curve тоже довольно steep ибо одна установка и отладка всего программного обеспечения занимает кучу времени. Manual 90 стр и будет расти думаю. Но разработчики сознательно расширяют участников небыстро, чтобы успевать всем этим управлять.

Как можно было бы передавать данные через радио-канал?

В нашей области, без преувеличения, идет так называемая geologging революция. На рынке появились дешевые, маленькие и энергоэффективные электронные компоненты, которые довольно легко можно собирать в разные logging устройства вполне приемлимой стоимостью (до $1k). В результате мы имеем разные geolocators, GPS-loggers и разные иные локаторы.

Но есть две большие проблемы.

Проблема первая. Как найти вернувшееся животное с логгером? Часто логгеры нужно вернуть физически, чтобы скачать данные. Посылка данных через спутник сильно укрупняет и удорожает устройство. Для решения этой задачи мы используем филопатричные виды, т.е. те, которые стремятся вернуться в теже места. Но ловить то их нужно всё равно, а это сложно и поймать получается только небольшую часть из вернувшихся (а ведь есть еще и смертность, и возвращение не в тот же район, и еще часть логгеров теряется, а часть, даже вернувшихся, не работает).

Эту проблему можно решить лучше, если наладить сканирование местности с воздуха теми же дронами, снабженными радио ресиверами. Локатор же должен иметь небольшой, автоматически включающийся в нужное время, радио-маячок. Это добавит вес (нужен примитивный микро-контроллер и чуть больше батарейки), но ненамного.

Проблема вторая. Даже найдя птицу, поймать ее в поле очень сложно. Как, не отлавливая птицу, скачивать данные удаленно, не отлавливая птицу, к примеру, с помощью того же ресивера на дроне? Можно соединить flash memory логгера с тем же радио-маячком, раз он нам всё равно нужен для локации животного, и скачивать данные по радио каналу, модулируя радио-сигнал маяка. Этим уже занимаются некоторые компании (Ecotone, к примеру). Пока правда их технологии дорогие. Но меня интересуют именно то, как это сделано? Какие существуют подходы? Идеально, конечно, если бы кроме радио-маячка был бы еще микро-ресивер, он же реле, включающий радиопередачу данных при получении сигнала от дрона "я здесь и готов начать скачивание данных". Это было бы энергоэффективно, но это дополнительное устройство только для приема одного сигнала и дополнительная масса. Можно было бы для начала использовать тот же сигнал радио маячка, модулируя его постоянно. Тогда бы и маячок работал, и данные всегда посылал, пусть большую часть времени и впустую, без слушателя. Память же читалась бы по циклу. Данных там в памяти относительно немного, но и маячок пищит только раз в 2-5 сек. Однако же, можно было бы найти птицу и на ночь рядом с ней разместить радио-антенну. Закачка данных займет время, возможно многие часы, но зато отлавливать не нужно. Еще в протокол нужно бы вшивать возможность читать данные кусками с любомого места, так что если птица исчезла и была вновь найдена позднее, данные можно было бы дополнить.

Вопрос к читателям-технарям, если такие есть: знает ли что-то о разных протоколах передачи данные по радио-каналу? Передача может вестись либо на одной несущей частоте в виде модулированного beeper сигнала (один пик раз в 2-5 сек) либо можно взять digitally coded трансмиттеры (каждые пять секунд идет burst из 4-х пиков с небольшими индивидуальными расстояниями между пиками для кодирования уникального ID птицы) и модулировать сразу несколько пиков (или даже все 4 пика одновременно). См. картинку ниже для иллюстрации сигнала digitally coded transmitter с 4-мя пиками. Последний вариант дал бы увеличение скорости передачи данные. В протокол должен быть вшит механизм корректировки ошибок и возможность писать с разных точек читаемого файла.



UPD Подумал, погуглил. Наверное, amplitude modulation is our way, потому что frequency modulation будет требовать дополнительных кристаллов (если я правильно понимаю), что увеличит массу. Тогда можно было бы использовать один, два или все четыре пика в burst, а антенну размещать рядом со свящей или малодвигающейся птицей (т.к. движение источника сигнала приведет к постоянному непредсказуемому изменению амплитуды). Any comments / thoughts?

Fun Cube Dongle или как игрушки гиков превращаются в полезные вещи

Кто помнит, в мое канадском проекте мы использовали некоммерческие радио приемники со странным названием SensoreGnome. По сути, кит из нескольких компонентов, главные их которых - конечно же, радио антенна, плюс небольшой компьютер стоимостью меньше $100 (выбрали BeagleBone, но вроде можно было и Rasberry Pi или подобные). Он вот так выглядит.


Плюс миниатюрный радио ресивер с широким диапазоном приема (150MHz - 1.9GHz с гэпом 240-420MHz) в виде флэшки, подключаемый через USB. Назывантся эта штука Fun Cube Dongle (FCD) и последняя модель стоимостью в пределах $200 выглядит так.

Снаружи

Внутри



Кто это вообще разработал и для чего. FCD - это наземный элемент системы спутник-земля, разработанный популяризаторским и просветительским проектом Fun Cube.



Что это за проект такой. Коммьюнити гиков и радио-космолюбителей из Великобритании и Нидерландов (AMSAT-UK and AMSAT-NL) разрабатывают миниатюрные космические спутники с радио приемопередатчиками, запускают их с помощью русских на орбиту и общаются между собой, проводят кое-какие измерения. Самая главная цель проекта - популяризация космоса, физики, радио и электроники среди молодежи. Спутники весят буквально килограммы и выглядят вот так.



Ну а лишь одним из spin-offs данного проекта послужили ресивера сети радиовышек в Канаде - тот самый проект MOTUS, о котором я рассказывал некоторое время назад. Вообще, в ресивере SensoreGnome мне нравится концепция open platform - можно брать разные компоненты и комбинировать их, делая то, что подходит конкретно тебе с твоими задачи и бюджетом. Мощный и очень гибкий подход. Достаточно посмотреть, как это сработало в случае PC.

Разбираюсь с телеметрическими данными

Очень прикольно восстанавливать трек птицы по последовательности радио сигналов, зарегестрированных разными антеннами на автоматических радиовышках. К примеру,

Вот карта наших 10 вышек, которые формировали октагон диаметром около 15-20 км. Птицы были выпущены в центре, где были две вышки R1+R2, установленные рядом (считай в одной точке). На них были антенны, разнесенные на 60 градусов и направленные по следующим азимутам: 350/0, 50, 110, 170, 230, 290. На периферии были установлены 8 вышек S01-S08. На каждой были две антенны, направленные примерно в направлении соседних вышек, так что формировался "забор". Каждая антенна + ее detection range изображены на схеме в виде черной линии длиной 5 км (понятно, что сама антенна короткая :), но так удобнее визуально оценивать район приема сигнала, хотя он мог быть принят и на расстояниях заметно более 5 км, что и было в большинстве случаев).

Array2

Еще хочу заметить, что каждая антенна может принимать сигнал не только строго вдоль "черточек", но и немного всторону и даже в прямо противоположном направлении, но тогда дистанция приема намного меньше. Detection range каждой антенны скорее напоминает электронную орбиталь, т.е. восьмерку, если вы еще помните ее форму из курса химии. Хотя на самом деле всё еще сложнее, и есть еще side lobes. Горизонтальная проекция yagi антенны. Чем больше элементов, тем вытянутее будет main lobe (у нас была аж 9 элементная Яги антенна, т.е. очень вытянутая).

2000px-Sidelobes_en.svg

Вот как выглядит старт птицы (по оси X - время, по Y - сила сигнала в dB, панели справа названы по схеме вышка - азимут линии антенны). Самый длинный хвост на release site вышках (R вышки) аппроксимирует направление полета птицы при старте с места выпуска. Затем ее подбирают вышки на периферии (характерен "горбатый" профиль радио сигнала при пересечении птицей вытянутого в виде половинки восьмерки района приема антенны). Видно, что птица вылетела между седьмой и восьмой вышками и была, по-видимому, сильно ближе к вышке восемь, т.к. ее сигнал подхватила даже направленная на восток антенна восьмой вышки (как я говорил, сигнал может подбираться не только вдоль линии, но и прямо в противоположном направлении, если сигнал близок).

VD
А вот как скорее всего выглядел полет птицы во время пересечения ей района с вышками (желтая линия). Для масштаба - каждая линия - 5 км.
VD2
Место расположения array из автоматич вышек
Map

А вот птица, выпущенная на месте первоначального отлова всех птиц, на северном берегу озера Эри у города Port Rowan. Она просидела на месте выпуска почти две недели, с 26го апреля по 7го мая, и потом резко пересекла южную часть провинции Онтарио, пересекла озеро Гурон в узкой его части, через Bruce Peninsula, и ушла еще севернее (насколько - уже непонятно). Это вся ночь (задокументировано минимум 6 часов полета). Время на картинке внизу GMT, т.е. нужно поправлять на местное. Желтенькие маленькие звездочки на карте - вышки, зарегистрировавшие сигнал (скопление их трех вышек около места выпуска, и потом две вышки у СВ вершины Bruce Peninsula). Это правда самый длинный трек из Онтарио. Другие были короче.

Трек птицы через провинцию

ON
Последовательность сигналов, подбираемых разными вышками
VD3
Расположение MOTUS array (правда во время моей работы еще далеко не все вышки стояли, т.е. плотность была жиже).

MOTUS2
Весь MOTUS array сейчас

MOTUS

Russell 2000 как опережающий индикатор

Индекс, показывающий капитализацию 2000 small caps (компаний с небольшой капитализацией), aka Russell 2000 (^RUT) как правило чуть с опоздание отзывается на рост фондового рынка (сперва всегда растут гранды, американские голубые фишки), растет резвее, т.к. маленькие компании всегда процентуально сильнее отвечают на приток капитала, и демонстрирует слабость рынка тоже несколько опережая large caps. Многими подмечено, что сейчас может рисоваться локальный топ рынка, и нужно предельно внимательно наблюдать за развитием дивергенции между большими индексами (Доу, СиПи, Насдак) и Расселом 2000. Если это действительно топ, "плечи" на этой горбатой фигурке дорисуются (дорисовались?) и линия поддержки будет пробита, то этом может быть серьезным сигналом для как минимум глубокой коррекции аля вторая половина 2011 г, либо даже началом медвежьего рынка (см. 2007 г., обведенный слева).

Картинки. Russell 2000 as of Oct 1, 2014

Russell 2000

Сравнение Russell 2000, SP500 и NASDAQ Composite (CCMP).

Слабость Расселл 2000 и отток капитала из small caps мне лично намекают на слабую или даже очень "веселую" осень и зиму 2014-2015. Картинку взял отсюда.

Снимок

Еще о молекулярных механизмах эволюции

На этой неделе вышла интересная статья в Science - Rohner et al. 2013 (это эволюционная группа из Harvard Medical School, Boston). В ней доложили об интересном механизме, который скорее всего вызывает всплеск морфологического разнообразия у мексиканских тетр (Mexican tetra, пресноводная рыба из отряда Харационообразные). Дело в том, что у этих рыб встречаются как глазастые формы, живущие в открытых речках и озерах, так и почти безглазые формы, обитающие в пещерных водоемах. Каким образом эволюция делает безглазых рыб? Какие молекулярные механизмы лежат в основе этого морфологического различия? Группа Ронера решила проверить роль одного из так называемых белков теплового шока (их еще называют шаперонами), а именно белка HSP90. В обычном режиме, этот и другие шапероны экспрессируются в ответ на клеточный стресс, в частности, на сильно повышенную температуру окружающей среды. Помогают "искореженным" полуденатурированным другим белкам "быть в форме", т.е. исправлять их нарушенные конформационные изменения, и продолжать выполнять свои функции. Еще часть шаперонов участвует в укладке (folding) свежесинтезированных белков. Там же не просто нужно прочитать РНК и правильно составить нить из аминокислот, но и сделать так, чтобы они сложились в правильную форму. Часть белком могут складываться и без шаперонов, но некоторым шапероны просто таки необходимы.

Предыстория этой статьи началась в конце 1990-х гг, когда группа Сюзанны Линдквист из MIT опубликовали статью в 1998 г. о том, что у дрозофилл с разными отклонениями (странный формы глаза, ноги и прочие уродства) наблюдается пониженная экспрессия HSP90. Линдквист и ко. тогда выдвинули гипотезу, что HSP90 это такой тумблер запуска морфологических отклонений. Группа Ронера заинтересовалась эволюционным механизмом образования безглазых мексиканских рыб и, помятуя про ту дрозофильную работу, сделала следующий шаг. Они решили посмотрел, а велика ли роль HSP90 у этих странных мексиканских рыб? В экспериментальной группе у мальков мексиканских тетр экспрессия HSP90 была ингибирована специфическим ингибитором (радициколом, radicicol). В итоге появялись рыбы с очень широкой морфологической изменчивостью размеров глаз (см. картинку и график внизу). При этом контрольная группа рыб выращивалась в темноте, чтобы показать влияние уровня освещения на те же морфологические измененния, и темнота сама по себе не вызывает такой всплеск изменчивости глаз. Авторы сделали из этого вывод, что HSP90 в нормальных условиях маскирует ответ на шок (в пещерных водах очень пониженная соленость, что довольно большой физиологический стресс для организма рыб) за счет исправления ошибок при фолдинге белков. Убери HSP90 - и все эти ошибки вылезут наружу. Т.е. HSP90 - такой триггер всплеска морфологической изменчивости, после которого за дело берется старый добрый направленный естественный отбор и оставляет безглазых рыб, т.к у них организм не тратит ресурсы на формирование этих ненужных в пещерных условиях органов. Очень интересная работа и объяснение, хотя в комментариях к этой статье в Science были мнения и о том, что может быть не всё так просто и механизмов так может включаться много, в частности, может быть всплеск изменчивости, вызванный т.называемыми мобильными генетическими элементами (транспозонами). В любом случае, чувствую, что интерес к HSP90, и вообще к шаперонам как ключевым элементам молекулярных основ эволюции, будет в ближайшие годы нарастать.

Rohner et al. 1 Rohner et al. 2

О точечной эволюции, эпигенетике и ламаркистах

Наконец собрался научно-биологический пост написать.

На этой неделе к нам в Гуэлф приезжал американский профессор из Университета Вирджинии. И имя у него такое типичное Butch Brodie. Канадцы хихикали.

Буч занимается эволюцией arms race - гонки вооружения - между змеями и саламандрами. Off topic. Когда я на послесеминарской вечеринке спросил у Буча, почему саламандры, он рассказал, что это все его отец. Папа в детстве, будучи бойскаутом, услышал поразившую его до глубины души историю про рейнджера, которого нашли мертвого без признаков насилия, и после долгих поисков причин смерти они обнаружили ядовитую саламандру в котолке, где они варил кофе. После этого папа, тоже университетский проф, всю жизнь занимался тритонами и саламандрами. Anyway.

Кратко об отрытиях его лаборатории. На западном побережье США есть очень распространенные garter snakes (род Thamnophis). И некоторые виды очень неплохо жрут саламандр (или тритонов, не знаю как в данном случае правильнее) из рода Taricha, которые вырабатывают ядовитую слизь, содержащую тетродотоксин. Это довольно сильный небелковый токсин нейропаралитического действия (содержится еще в рыбе фугу), который закупоривает натриевые ионные насосы, мембранные белки, которые обеспечивают трансмембранный транспорт ионов натрия в мембране нейронов и тем самым обеспечивают передачу нервных импульсов. Их там много и называются они скучно Nav 1.2, 1.4, 1.6 и подобно. Короче, очень важная штука для всех процессов, особенно для дыхания и сердцебиения. Токсин легко и быстро впитывается в кровь.

В целом ряде работ, группа Броди показали очень интересные вещи о том, как змеи приспособились справляться с тетродотоксином.

У некоторых видов змеи в натриевых насосах возникла одна аминокислотная замена как раз в месте прикрепления тетродотоксина так что блокирование становится менее эффективным, у других видов есть даже три таких замены, а у самых продвинутых - четыре замены. Каждая дополнительная замена повышает резистентность к токсину на порядки, т.е. классический пример скачкообразной эволюции! Замены аминокислот нужны именно в определенных местах натриевого насоса, в местах прикрепления тетродотоксина, который закупоривае каналы (см. рисунок внизу), больше нигде, т.к. иначе натриевые насосы не смогли бы выполнять свою функцию и неправильно бы сложились и не встроились бы в мембрану. Причем возникла такие замены независимо у разных видов.
Снимок
Как в результате эволюции возникли такие точные точечные замены именно в этих локусах? Было ли разнообразие последовательностей в натриевых насосах изначально так что потом, при столкновении с гадкими саламандрами и их тетродотоксином были отобраны только нужные вариации или же столкновение с токсином запустило мутации в нужном гене? Генетические исследования Броди показали, что скорее второе и в анцестральной (предковой) популяции не было разнообразия в данных генах - они довольно консервативны. Т.е. молекулярная эволюция у змей началась в данном гене скорее всего после столкновения с токсином. Почему не наблюдаются изменения в других местах натриевых насосах тоже понятно - такие "побочные продукты" эволюции не выживали бы и поэтому это классический пример номогенеза или канализированной эволюции. Но для меня остается несколько пробелов в данной истории.

Каков механизм запуска молекулярного поиска в нужном гене если это не дрейф (в предковой популяции не было этого, чтобы выбирать и дрейфовать), а направленный отбор? Ответа на этот вопрос Броди не дает и не знает. Моя гипотеза основана на передаче по наследству приобретенных признаков через эпигенетические маркеры. Представьте себе, что змеи начала сталкиваться с ядовитыми саламандрами и тетродотоксином. Не все они умирали (Броди показывал видео, как змеи, проглотившие этих тварей и не имеющие устойчивости против токсина, погут их потом изрыгивать и их еще долго мутит, они не могут быстро двигаться). Тетродотоксин впитывается в кровь и воздействует на все клетки тела, в том числе на гоноциты, первичные половые клетки, из которых потом формируются яйцеклетки или сперматозойды. Уже давно известно, что приобретенный в ходе жизни опыт особи может передаваться потомству через так называемые эпигенетические изменения в этих половых клетках, т.е. не изменения в последовательности цепочки ДНК, а например, изменения гистонов (белков, на которые намотана цепочка ДНК), а также через метилирование некоторых нуклеотидов (хотя накануне созревания в данных половых клетках происходит массовой деметилирование, но некоторые метиловые группы почему-то остаются). Предположим, что, к примеру, тетродотоксин вызывает в половых клетках некоторые изменения в гистонах в районе гена натриевых насосов. Каков молекулярный механизм этого я пока предположить не могу (я заглянул в недавний обзор 2010 г. по эпигенетике - никто не знает, это горячая тема в биогии). Но если это так и если это, к примеру, может привести у потомства к повышенной вероятности рекомбинации в процессе мейоза именно в районе данного гена, а значит и повышена вероятность ошибки в районе данного гена. А далее уже отбор позаботиться о том, что неправильные ошибки с заменой аминокислоты в других участках натриевого насоса будут просто выкинуты, ибо такие животные не выживут,а нужные замены только дело времени. Таким образом, рано или поздно нужные замены у каких-то особей появятся, ну уж они то будут распространять этих гены за счет преимущества в размножении. Но всё это пока мои предположения и здесь еще много вопросов. Эпигенетика тут бы, на мой взгляд, помогла бы. Готов выслушать альтернативные гипотезы. А ведь эпигенетика еще в середине XX в. считали пережитком ламаркизма и "как так, приобритенные признаки могут наследоваться?" Были, конечно, отщепенцы типа Любищева, которые шли против мейнстрима без особых доказательств на руках, но им нравился и ламаркизм, и витализм, и номогенез. Но большинство верило в "закрытие" темы Вейсманом, которые показал в работе на мышах, у которых он на протяжении многих поколений отрезал хвосты и ничего у потомков с хвостами не происходило, что наследование приобретенных признаков не может быть. Всё было правильно сделанов данном конкретном опыте, но вывод был преждевременным и слишком обобщенным. Впоследствии оказалось, что приобретенные признаки могут наследоватеть через эффекты отца и/или матери на потомство.

PS Подумав и посмотрев литературу, более точно сформулирую свой вопрос на будущее:

(1) Вызывает ли столкновение с тетродотоксином у змей индуцированный гипермутагенез или же скорость мутаций под воздействием с данным токсином не изменяется и точечные мутации происходят без всякой связи с воздействием токсина в фоновом режиме, т.е. на уровне, наблюдавшемся до воздействия токсина?

(2) Если индуцированная гипермутагенез всё-таки присутствовал и способствовал возникновению точечных замен аминокислот, то каков молекулярный механизм этой индукции? Здесь, мне кажется, необходимо наследование приобретенного опыта, иначе каким образом токсин, воздействующий на ткани родителя, вызовет повышенный мутагенез у потомства? Опять же, если происходит наследование приобретенного опыта, то каков молекулярный механизм?

(3) Если индуцированный мутагенез способствовал данным эволюционным преобразованиям, что происходит при этом: повышается ли скорость мутаций по всему геному или же только в определенных "нужных" областях (hot spots), где расположенны target гены? Если второе, то каков механизм этого таргетирования мутаций?

Индуцированный мутагенез - явление известное и неплохо изученное на самых практичных моделях - бактериях и B-лимфоцитах (иммунных клетках позвоночных). Не знаю, есть ли какие сведения о таком явлении в primordial germ cells.

Основатель нейроэтологии Йорг-Петер Эверт

Нашел тут видео про нейро-поведенческие механизмы охотничьего поведения жаб. Это выжимка из исследований основателя neuroethology - немецкого профессора Йорга-Петера Эверта. Нейроэтология - это область науки о поведении животных, когда исследуется связь между каким-либо важным для животного поведением и выясняются нейронные механизмы, обеспечивающие данное поведение.

Жабы, конечно, довольно тупые существа, абсолютные биороботы)) Реагируют на движение удлинненных и одновременно горизонтально двигающихся объектов. Установка очень классная.



Вторая и третья часть посвящены нейроосновам распознавания добычи у жаб. Там уже немного нужно знать про мозг.