Осьминоги завораживали людей веками, вдохновляя на написание саг о морских монстрах, начиная со скандинавских легенд о Кракене до телесериала «Путешествие на дно океана» или до совсем недавнего и менее угрожающего документального фильма от Netflix «Мой учитель-осьминог». Внешность осьминогов уникальна во многом благодаря их восьми покрытым присосками щупальцам, а способность использовать эти отростки для исследования предметов во время поиска еды ещё больше выделяет их среди других животных.
На самом деле, учёные десятилетиями пытаются узнать, как эти руки или, точнее, присоски, выполняют свою работу, что привело к большому числу экспериментов в биомеханике. Однако очень немногие изучали то, как это происходит на молекулярном уровне. В своём новом докладе учёные из Гарварда приоткрыли завесу тайны над тем, как нервная система в руках осьминога (которые работают во многом независимо от его центрального мозга) справляется с такими трюками. Работа опубликована 29 октября в журнале Cell.
В первом клеточном слое внутри присосок учёные обнаружили новое семейство сенсоров, которое приспособилось определять и реагировать на молекулы, плохо растворяющиеся в воде. Исследователи предполагают, что эти сенсоры, названные хемотактильными рецепторами, используют такие молекулы, чтобы помочь животному определить, к чему оно прикасаться, и является ли этот объект добычей.
«Мы думаем, что из-за плохой растворимости молекулы могут, например, находиться на поверхности добычи осьминогов или чего-то, к чему эти животные прикасаются, — сказал Николас Беллоно, доцент молекулярной и клеточной биологии и главный автор исследования. — Так что когда осьминог прикасается к камню или к крабу, то его рука знает: “ОК, я трогаю краба, потому что я не только осязаю его, но чувствую ещё такой вот вкус”».
Кроме того, учёные обнаружили большое разнообразие в том, на что рецепторы реагировали, и в сигналах, которые они передавали в клетку и нервную систему.
«Мы думаем, это важно, потому что это открытие может определять сложность чувств осьминога, а также то, как он обрабатывает многообразие сигналов, используя полуавтономную нервную систему в своих щупальцах, что приводит к сложным моделям поведения»,— сказал Беллоно.
Учёные верят, что исследование поможет открыть похожие рецепторные системы у других головоногих класса беспозвоночных, который также включает кальмаров и каракатиц. Они надеются определить, как эти системы работают на молекулярном уровне, и ответить на относительно мало исследованные вопросы о том, как способности этих созданий эволюционировали, чтобы соответствовать их среде обитания.
«О хемотактильном поведении морских животных известно немногое, так что, используя это семейство рецепторов как модельную систему, мы можем изучать сигналы, важные для животного, и то, как они могут быть зашифрованы, — сказала Лена Ван Гиссен, докторант в лаборатории Беллоно и ведущий автор статьи. — Это понимание эволюции белков и шифрования сигналов важно далеко не только для головоногих». Помимо Гиссен, другие соавторы из лаборатории — Питер Б. Килиан, лаборант по уходу за животными, и докторант Кори Аллард.
«Стратегии, которые эволюционировали у осьминогов, помогают справляться с проблемами в их среде обитания и являются уникальными для них. Это вызывает огромный интерес не только для учёных, — сказал Килиан. — Людей привлекают осьминоги и другие головоногие, потому что они разительно отличаются от большинства других животных».
Команда решила определить, как рецепторы могут определять химические вещества и распознавать сигналы в том, чего они касаются, например, когда щупальце обвивает улитку, и как это помогает им принимать решения.
Щупальца осьминога уникальны и сложно устроены, и около двух третей из всех нейронов осьминога находятся именно там. Поскольку щупальца частично работают независимо от мозга, можно оторвать одно из них, и оно всё ещё сможет тянуться к предметам, находить их и хватать.
Команда начала с определения, какие именно клетки в присосках производят детектирование. После изолирования и клонирования химических и осязательных рецепторов, они поместили их в яйцеклетки лягушек и в человеческие клетки, чтобы изучить их функции по отдельности. Ничего подобного этим рецепторам не существует в клетках лягушек или человека, так что эти клетки работали в целом как закрытые сосуды для изучения рецепторов.
Затем исследователи помещали эти клетки в среду, содержащую различные молекулы, такие как экстракты добычи осьминога, и другие предметы, на которые рецепторы, как было известно, могут реагировать. Некоторые тестовые образцы были водорастворимые: например, соли, сахара, аминокислоты. Другие плохо растворялись и обычно не считались интересными морским животным. На удивление оказалось, что только плохо растворимые молекулы активировали рецепторы.
Далее исследователи вернулись к осьминогам в своей лаборатории, чтобы понять, будут ли они также реагировать на те молекулы. Для этого они поместили те же экстракты на дно их аквариумов. Они обнаружили, что единственными одорантами, на которые отвечали рецепторы осьминогов, были нерастворимые вещества из встречающегося в природе класса терпеноидов.
«Осьминог заметно реагировал только на ту часть дна, куда были помещены эти молекулы», — сказал Беллоно. Это привело исследователей к выводу, что обнаруженные ими рецепторы определяют эти типы молекул и помогают осьминогу понять, к чему он прикасается. «Благодаря полуавтономной нервной системе, щупальце может быстро принять решение: «Мне сократиться и схватить этого краба или продолжать поиски?» — продолжает Беллоно.
Хотя исследование на молекулярном уровне объясняет, как эти вкусо-осязательные ощущения возникают у осьминогов благодаря их хемотактильным рецепторам, учёные считают, что необходимо дальнейшее изучение, учитывая то, что большое число неизвестных природных соединений тоже может стимулировать эти рецепторы, приводя к сложному поведению. «Сейчас мы пытаемся понять, какие ещё природные молекулы эти животные могут определять», — сказал Беллоно.
Перевод Антон Меньшенин.
Редакторы Екатерина Хананова и Марлен Тальберг.