żabki ważniejsze dla ludzi

"Co mnie obchodzi jakaś zgnilizna głęboko w lesie?" i tym podobne rozterki częstokroć towarzyszą doniesieniom o działaniach na rzecz ochrony organizmów dalekich od tego, co przeciętny człowiek uważa za estetyczne i istotne. Nie ulega wątpliwości spadek bioróżnorodności dotykający wielu ekosystemów, przejawiający się nie tylko w zagrożeniu wyginięciem takich pokazowych gatunków jak duże ssaki - np. pandy wielkie i tygrysy - ale i maleńkich bezkręgowców (części których pewnie nigdy nawet nie poznamy), stanowiących nieodłączne elementy sieci pokarmowych. Których dobrostan, jak się okazuje, ma ogromny wpływ na dobrostan człowieka.

Tempo wymierania gatunków jest obecnie większe niż kiedykolwiek a przewidywania na najbliższe 50 lat wskazują na 10-100-krotny jego wzrost. Zagrożenie dotyka wiele gatunków bezpośrednio - przez niekorzystne dla nich zmiany w środowisku, konkurencję z człowiekiem o habitat, odławianie i inne czynniki - jak również niebezpośrednio, poprzez ograniczanie liczebności innych gatunków, od których są zależne.

Jednym z gatunków zależnych od innych wciąż pozostaje człowiek. Badacze przyjrzeli się badaniom biorącym pod uwagę wpływ bioróżnorodności na zagrożenie jakie dla człowieka stanowią patogeny. Okazał się on dwojaki.

Po pierwsze, utrata bioróżnorodności powoduje zwiększenie transmisji patogenów pomiędzy systemami ekologicznymi, jak również częstości występowania chorób. Mniejsza bioróżnorodność może oznaczać zmniejszenie udziału w środowisku pewnej ilości gatunków, na rzecz jednego, najlepiej dostosowującego się do zmienionych warunków. Przykładem może być pole uprawne, oznaczające zwycięstwo zbóż (przy nieobecności gatunków uznanych przez nas za niepożądane, nazywanych chwastami), gatunków traw najlepiej dostosowanych do nowych warunków środowiskowych, jakie stworzyło przejście człowieka na osiadły tryb życia i uprawę roli. Nieszczęście zaczyna się wtedy, kiedy gatunek ten jest wektorem (nosicielem) dla groźnego dla nas patogenu - w tej sytuacji pasożytów będzie po prostu więcej, jako, że więcej będzie nosicieli. Większa różnorodność oznacza, iż np. pasożyty mogą trafić na nosicieli, którzy uniemożliwią im dalsze rozprzestrzenianie się (np. na gatunki, których ostateczny żywiciel nie jada).

Porównanie liczby kleszczy będących nosicielami zainfekowanych boreliozą w środowiskach
w których ich żywicielami były myszaki i oposy wirginijskie. W wypadku oposów większość
kleszczy zostaje usunięta, nieliczne stają się nosicielami zarazków.
Grafika: © 2010 Nature Publishing Group

Po co komu jakieś ptaszki? Na co nam gryzonie? Badania wykazały, iż szczególnie narażeni na zakażenie wirusem Zachodniego Nilu byli mieszkańcy tych obszarów USA, w których niskie było zróżnicowanie gatunków ptaków. Innym ciekawym przykładem jest borelioza, której krętki roznoszone są przez kleszcze. Kleszcze roznoszone są przez wiele gatunków ssaków, w tym gryzonie i, należące do dydelfowatych, oposy. Myszaki (ang. white-footed mouse, Peromyscus leucopus) są znacznie lepszymi żywicielami dla kleszczy niż oposy (te potrafią się lepiej przed nimi bronić). Liczebność tych drugich spada, myszaki zaś lepiej radzą w sobie w zmienionych przez człowieka ekosystemach, na czym korzystają kleszcze i zarazki wywołujące boreliozę.

Czym by był świat, ogołocony
Z miejsc mokrych i miejsc dzikich? Niech będą zawsze,
Niech trwają zawsze, dzikie i mokre;
Niech zawsze będą chwasty i zawsze będzie dziko

Gerald Manley Hopkins

Ten kij ma jednak dwa końce. Zauważono, iż szanse na przeskok nowych patogenów ze zwierząt żyjących na wolności na ludzi wzrastają wraz z bogactwem gatunków ssaków w danym środowisku. Innymi słowy, im większa bioróżnorodność ssaków, tym większa szansa, iż w okolicy pojawi się nowa odzwierzęca choroba. Sytuacja jest jednak dość skomplikowana i w grę wchodzi przypuszczalnie wiele czynników. Obecny kontakt człowieka z tym co dzikie obejmuje częstokroć wycinki lasów pod uprawy i polowanie na dziko żyjące zwierzęta, m.in. dla ich mięsa. W rezultacie, niemal połowa chorób zoonotycznych (pochodzących od innych zwierząt) od 1940 roku zaistniała w wyniku podobnej działalności.

Kiedy do takiego przeskoku dojdzie, sytuację pogarsza mniejsza ogólna bioróżnorodność. Przykładem może być wirus Nipah, przeniesiony przez owocożerne nietoperze na udomowione świnie w Malezji. Duże zagęszczenie osobników jednego gatunku na małej przestrzeni pomogło w przenoszeniu się wirusa wewnątrz chlewni, bliski kontakt tych zwierząt z człowiekiem pozwolił zaś na kolejną transmisję. Badacze sugerują także, iż istotne znaczenie dla rozwoju nowych zagrożeń związanych z patogenami może mieć spadek bioróżnorodności pośród ludzkiej bioty mikrobalnej, na skutek nadużywania przez nas antybiotyków.

Co więc począć w związku z tą dwoistością kontaktów człowieka z resztą świata przyrody? Dbać o różnorodność, przede wszystkim przez pozostawienie jej w spokoju, sugerują badacze.


grafika: kadr z filmu Ashes and Snow


Źródło:

Keesing F, Belden LK, Daszak P, Dobson A, Harvell CD, Holt RD, Hudson P, Jolles A, Jones KE, Mitchell CE, Myers SS, Bogich T, & Ostfeld RS (2010). Impacts of biodiversity on the emergence and transmission of infectious diseases. Nature, 468 (7324), 647-52 PMID: 21124449

d∞

o czym warto pamiętać fałszując dane

Brokuł romanesco przypuszczalnie nie ilustruje prawa Benforda.
Jest jednak pięknym przykładem fraktala, których nigdy dość.

Potoczne rozumienie statystyki obfituje w przeinaczenia a ludzie mają tendencję do dostrzegania znaczących wzorców tam, gdzie ich tak naprawdę nie ma. Profesjonalne jej rozumienie również dostarcza wielu kłopotów. Jednocześnie, wszechświat, jako ostateczny rzucający kośćmi, lubi płatać nam figle.

Przykładowo, jak pokazuje przykład rozwinięcia dziesiętnego liczby pi, dostatecznie długi ciąg przypadkowych znaków pozwala na dostrzeżenie w nim niemal dowolnych znaczących wzorców - odpowiednia ilość małp dostatecznie długo stukających w maszyny do pisania pozwoli na napisanie Biblii a astronomiczna liczba planet w połączeniu z astronomiczną skalą czasu dają ogromnie nieprawdopodobnemu zjawisku życia szansę zaistnienia. Wyglądający nieprzypadkowo zestaw wyników podrzucania monetą ORORORORO jest prawdopodobny dokładnie w takim samym stopniu jak nieregularny a więc "przypadkowy" jak OORROROOR. Nasze rozumienie "przypadkowości" jest więc dość płynnym pojęciem - widzenie wzorców jest związane ze specyficznymi dla człowieka mechanizmami percepcji.

Jedną z ciekawszych prawidłowości dotyczących prawdopodobieństwa jest prawo Benforda. Określa się tym mianem fakt zaskakująco uporządkowanego występowania cyfr w wartościach statystycznych zebranych w tak odległych od siebie dziedzinach, jak astronomia, sport czy wyniki wyborów. Na czym dokładnie polega ten fenomen? Wydawać by się mogło, że takie dane jak powierzchnia zbiorników wodnych, częstotliwości obrotów pulsarów czy liczby wylosowane z gazety wykazywać się będą nieuporządkowaniem. Otóż okazuje się, że można określić prawdopodobieństwo z jakim pierwsza cyfra każdej z tych wartości będzie konkretną cyfrą - jest np. 30,1% szans, iż będzie jedynką a tylko 4,9% szans, że będzie dziewiątką. Najprawdopodobniej więc będzie to raczej 1xx niż 4xx. Co ciekawe, reguła ta działa niezależnie od skali, co oznacza, że możemy przekonwertować jednostki na inne a prawidłowość pozostanie.

Tabela rozkładu wartości prawdopodobieństw dla poszczególnych cyfr

Rozkład Benforda został opisany po raz pierwszy w 1881 roku, przez amerykańskiego astronoma Simona Newcomba w 1881 roku, ponownie odkrył go Frank Benford w 1938. Lista znanych od tego czasu wielkości w których sprawdza się prawo Benforda jest imponująca a niedawne badanie tylko ją poszerzyło. Powierzchnie zbiorników wodnych, emisje gazów cieplarnianych poszczególnych krajów, liczby składające się na ciąg Fibonacciego, statystyki futbolowe, najwyższe budynki świata, stałe fizyczne, statystyki dotyczące 250 000 ostatnich trzęsień ziemi, jasności rozbłysków gamma i dane epidemiologicznego 987 chorób zakaźnych w roku 2007.

Co z tego wynika? Znajomość prawidłowości, które powinny pojawiać się w statystykach "wziętych z natury" pozwala na wysnuwanie przypuszczeń odnośnie potencjalnych czynników zakłócających w wypadku wystąpienia danych niezgodnych z oczekiwanymi w świetle rozkładu Benforda. Mogą to być wcześniej przeoczone mniejsze trzęsienia ziemi (jak w wypadku autorów publikacji), jak również księgowi kreatywni i manipulacje wynikami głosowania (jak przypuszczalnie miało miejsce w wypadku wyborów w Iranie).

grafika:

brokuł - Richard Bartz

rozkład Benforda - Gknor, grafika w domenie publicznej

źródło:

Sambridge, M., Tkalčić, H., & Jackson, A. (2010). Benford's law in the natural sciences Geophysical Research Letters, 37 (22) DOI: 10.1029/2010GL044830

rozplatając tęczę

Moment narodzin uwieczniony na skanie MRI.

Tak się to wszystko zaczyna. Nagranie MRI.

geny, wychowanie, to pośrodku

Jednym z fundamentalnych praw klasycznej genetyki jest odziedziczalność cech wynikających z informacji zapisanej wyłącznie w linii zarodkowej, w komórkach rozrodczych, jako, że to właśnie one - nieprzerwanie od milionów lat - dokonują transferu materiału genetycznego. Nie ulega przekazaniu materiał genetyczny zapisany w reszcie komórek ciała i to co się z nimi dzieje nie powinno mieć bezpośredniego wpływu na materiał genetyczny potomstwa. Ucięte kończyny nie spowodują braku kończyn u potomstwa, nie dziedziczymy nabytej wiedzy a uszkodzenia materiału genetycznego, wywołane na przykład przez promieniowanie UV, nie zostaną przekazane potomstwu tak długo, jak nie będą dotyczyć gamet (komórek rozrodczych). Wydaje się to dość jasne. Okazuje się jednak, że stres jakiego doświadcza jeden z rodziców może zaowocować zaburzeniami nawet w trzecim pokoleniu. Póki co - u gryzoni, ale mechanizm dotyczy prawdopodobnie także ludzi.

Czy utracone kończyny na pewno nie są dziedziczone?

Zjawiska epigenetyczne to wciąż nie do końca poznane mechanizmy dziedziczenia niebezpośrednio genetycznego - czynniki wpływające na końcowy wynik wcielania w życie przepisu zawartego w DNA, regulujące aktywność genów wewnątrz komórki - wpływają m.in. na włączanie i wyłączanie (wyciszanie) ich transkrypcji (przepisywania DNA na RNA). Materiał genetyczny we wszystkich komórkach ciała jest taki sam, jednakże zjawiska epigenetyczne powodują, że w poszczególnych tkankach wyciszane są jedne geny a aktywowane inne, tak, by organy mogły realizować swoje funkcje. Nie zawsze dzieje się to w sposób właściwy dla rozwoju człowieka, czynnikami wpływającymi na zmiany epigenetyczne są także czynniki środowiskowe, takie jak ekspozycja na substancje chemiczne czy stres środowiskowy. Mechanizm dezaktywacji pewnych genów zachodzi również np. w niektórych formach nowotworów, kiedy wyłączają one mechanizmy korekcyjne DNA, ułatwiając sobie rozwój.

Podejrzeń o epigenetycznej odziedziczalności zaburzeń psychicznych dostarczają badania przeprowadzone pod nadzorem Isabelle Mansuy z Universität Zürich. Samce myszy poddane zostały silnemu stresowi (w dość okrutny sposób) i pozbawiono je opieki matczynej przez pierwsze dwa tygodnie życia. Jak nietrudno się domyślić, myszy przejawiały wyższy poziom niepokoju i zaburzenia zachowania. Badacze donoszą, iż myszom podano środki farmakologiczne mające złagodzić wywołane objawy. W wypadku ludzi, podobne traumatyczne doświadczenia w pierwszym okresie życia wiążą się z większym prawdopodobieństwem pojawienia się pozabezpiecznych forma przywiązania - nieprawidłowości w funkcjonowaniu relacji dziecka z matką, które w dorosłym życiu mogą przekładać się na zaburzenia relacji w związkach. Badacze zaobserwowali, iż kolejne pokolenie (a w niektórych wypadkach - drugie pokolenie potomne) także przejawiło podobne objawy.


Dlaczego tak się stało, skoro nie mogły zajść mutacje w materiale genetycznym linii zarodkowej? Badacze odkryli, iż geny, które można powiązać z takimi zmianami w zachowaniu przejawiły - obecne w nasieniu poddanych stresorom samców, ale także mózgach i komórkach linii zarodkowej ich potomstwa - zmiany na poziomie metylacji DNA. Jest to proces przyłączania grup metylowych do łańcucha DNA, regulujący ekspresję genów i tym samym proces rozwoju tkanek - wcielania w życie przepisu zawartego w odziedziczonych po rodzicach genach. Najwyraźniej zmiany w metylacji genów są w jakiś sposób dziedziczone.

Wybarwione komórki szczurzego móżdżku

Podobne wnioski wynikają z badań przeprowadzonych przez zespół pod kierownictwem Davida Sweatta z University of Alabama. Szczury wychowywane przez matki przejawiające zachowania niesprzyjające rozwojowi młodego szczura (niedelikatne traktowanie, deptanie, szarpanie, upuszczanie, aktywne unikanie) przez okres jednego tygodnia przejawiały zmiany na poziomie epigenetycznym. Zaobserwowano u nich, wynikającą ze zmian w metylacji DNA neuronów kory przedczołowej, częściową dezaktywację genów odpowiadających za mózgopochodny czynnik neurotropiczny (ang. brain-derived neurotrophic factor, BDNF; brzmi jak doskonała nazwa dla pochodzącego z kosmosu wirusa odpowiadającego za zmianę ludzi w zombi), substancję kluczową dla rozwoju i wzrostu neuronów i tworzenia się synaps. W wyniku tego, w dużym stopniu przyczynia się do utrzymywania równowagi psychicznej u ludzi (i u szczurów) - deficyty BDNF obserwuje się u ludzi dotkniętych schizofrenią, dwubiegunowymi zaburzeniami afektywnymi, depresją, chorobą Alzheimera i wielu innych zaburzeniach natury psychicznej. Zmiany te widoczne były także u potomstwa maltretowanych samiczek. 

Analogiczny sposób przekazywania zaburzeń wydaje się wchodzić w grę także w wypadku schizofrenii - u myszy wychowywanych przez zaniedbujące matki znaleziono wiele (w porównaniu z myszami wychowywanymi przez opiekuńcze matki) epigenetycznych zmian dotykających genu GAD-1, odpowiadającego za produkcję neuroprzekaźnika GABA, odgrywającego istotną rolę w regulacji emocji. Sekcje zwłok ludzi dotkniętych schizofrenią wykazują deficyty tego neurotransmitera w ich mózgach.

* * *

W ten sposób zaburzenia wędrują poprzez pokolenia, zwiększając prawdopodobieństwo wystąpienia ich u dzieci dotkniętych nimi osób i przyczyniając się do dziedziczenia patologii. Badanie dotyczące szczurów i deficytów BDNF pokazało także, że zmiana maltretującej swoje potomstwo matki nie wystarcza, by odwrócić efekty przenoszone przez zmiany epigenetyczne. Konieczne okazało się zastosowanie farmakoterapii. Na szczęście, odziedziczenie określonej metylacji DNA jest to jednoznaczne z wystąpieniem zaburzeń. Badania wykazują także, że zwiększanie dobroci środowiska w jakim wzrasta pokolenie potomne, zapewnianie mu dobrego odżywiania, bogactwa bodźców którymi karmi się rozwijający się mózg, czasem w połączeniu z rozwijającą się farmakoterapią skierowaną na procesy natury epigenetycznej, pozwalają na odwrócenie efektów odziedziczonych zmian. Wraz z rozwojem epigenetyki, odkrywamy bogactwo zagrożeń dla rozwoju mózgu i potencjalnych przyczyn chorób psychicznych, zyskujemy jednakże nowe możliwości korekcyjnego oddziaływania. Środowisko wzrostu jeszcze nie i dopiero co narodzonego mózgu raz jeszcze okazuje się mieć ogromne znaczenie dla jego dalszego rozwoju.


grafika:
sceny z Ataku Klonów i Imperium Kontratakuje, za Wookieepedią
zmiany epigenetyczne - blog PZ Myersa, za Racjonalista.pl
szczurzy mózg - dopamineharper


źródło:

Franklin TB, Russig H, Weiss IC, Gräff J, Linder N, Michalon A, Vizi S, & Mansuy IM (2010). Epigenetic transmission of the impact of early stress across generations. Biological psychiatry, 68 (5), 408-15 PMID: 20673872

Roth, T., Lubin, F., Funk, A., & Sweatt, J. (2009). Lasting Epigenetic Influence of Early-Life Adversity on the BDNF Gene Biological Psychiatry, 65 (9), 760-769 DOI: 10.1016/j.biopsych.2008.11.028

Zhang TY, Hellstrom IC, Bagot RC, Wen X, Diorio J, & Meaney MJ (2010). Maternal care and DNA methylation of a glutamic acid decarboxylase 1 promoter in rat hippocampus. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience, 30 (39), 13130-7 PMID: 20881131