Бить или не бить? Для медуз этот вопрос встаёт всегда, когда их щупальца прикасаются к чему-либо, включая миллионы купающихся людей по всему миру.
Стрекательные нити выстреливают со скоростью пули. И каждая отдельная специализированная клетка, делающая это, может быть развёрнута только раз, потому что они разрываются при использовании, так что медузе приходится отращивать их заново, после того, как она выпускает покрытый ядом шип в ничего не подозревающую добычу или неудачливого пловца. Ввиду ограниченности этого арсенала, кажется, стоит использовать его более умеренно.
«Чтобы не жалить без необходимости, особенно не жалить себя, организмы должны иметь какой-то сигнал, который позволяет клеткам выстреливать в нужное время», — рассказал Николас Беллоно, доцент молекулярной и клеточной биологии факультета наук и искусств Гарвардского университета. Для учёных долго было загадкой, как инициируется жаление и как работает система безопасности на молекулярном уровне у медуз и актиний. И так было до тех пор, пока команда исследователей из лаборатории Беллоно не разгадала её.
Они изучали стрекательные клетки, также называемые нематоцитами и книдоцитами, которые встречаются в щупальцах стрекающих — актиний и медуз. Учёные выяснили, как эти клетки определяют и отфильтровывают различные сигналы окружающей среды, чтобы определить когда жалить, а когда — нет.
Исследователи обнаружили, что стрекательные клетки Nematostella vectensis, дальнего родственника медуз, имеют необычный электрический контур на ионах кальция, ответственный за инициацию жалящего ответа. При этом ионный канал, контролирующий этот контур, открывается только в очень специфических условиях. Для этого нужна комбинация механического стимула от контакта щупальца с добычей или хищником, своего рода толчок, а также присутствия определённых химических сигналов, типичных для добычи или хищников.
Во всё остальное время эти кальциевые каналы неактивны, и потому клетка покоится, пока не поступит правильный сигнал.
«Мы предполагаем, что сначала актиния определяет вещества, исходящие от её добычи, используя химически чувствительные клетки, — сказала научный сотрудник Кейко Уэйр, которая вела проект. — Эти хеморецепторы затем передают информацию нематоцитам, используя ацетилхолин — нейротрансмиттер, участвующий в передаче нервных сигналов у многих животных, включая человека. Ацетилхолин снимает дезактивацию этих кальциевых каналов. Это как бы говорит нематоцитам: “Рядом еда”. Затем, когда нематоциты получают механический сигнал, например, от прикосновения щупальца к добыче, кальциевые каналы открываются, что вызывает огромный приток ионов кальция и выстреливание нематоцита».
Предыдущие исследования уже продемонстрировали, что только правильная комбинация сигналов вызывает срабатывание нематоцитов, но молекулярный механизм этого был неизвестен. Результаты этого исследования складывают общую картину и показывают, как природа постоянно разрабатывает элегантные, но простые системы решения сложных проблем, требующих очень быстрого принятия решений.
«Любая биологическая система основана на том принципе, что у вас есть клетки, которые должны получать сигналы из окружения: либо от других клеток, либо напрямую из окружающей среды — и переводить эту информацию в подходящий ответ», — пояснила Уэйр.
Особенно примечательной эту систему делает то, что финальное решение жалить или не жалить принимается самим нематоцитом.
«Это отличный пример того, как отдельной клетке приходится собирать разные сигналы, чтобы принять правильное (и очень быстрое) решение, — сказал Беллоно. — Мы часто сосредоточены на вопросах системного уровня, когда мозг производит сложные вычисления, используя несколько разных цепей, но это исследование демонстрирует, что в обработке сигналов важен каждый белок и каждая клетка, и всё сводится к тому, что у каждой отдельной молекулы имеются в точности подходящие свойства, чтобы подходить к клетке и к организму в целом».
Вместе с Уэйр и Беллоно исследованием занимались их соавторы: Кристоф Дюпре, научный сотрудник лаборатории Энгерта-Лихтмана; Лена ван Гисен, научный сотрудник лаборатории Беллоно, и Эми Ли, доцент медицинского факультета Гарварда. Исследование опубликовано в eLife.
Команда использовала несколько подходов, включая исследования физиологии и поведения, а также электронную микроскопию, что позволило им детально отследить электрических и химические процессы, которые вызывают жалящий ответ.
Почему же медузы жалят приблизительно 150 миллионов людей в год, хотя люди не являются их добычей? Скорее всего, это всё-таки защитная реакция. Но это также может быть связано и с нашим химическим составом.
«Мы возвращаемся к тому, какие вещества определяются, — рассказал Беллоно. — Может ли животное приспособиться к распознаванию очень широкого диапазона веществ, которые представлены во многих животных, включая нас, людей, даже если мы не являемся их добычей? Есть примеры актиний, которые используют одни нематоциты для охоты, а другие — для защиты. Есть другие животные, которые могут использовать определённые вещества, чтобы не быть ужаленными, например, так делают рыбы-клоуны. Возможно, некоторые нематоциты настроены на конкретные химические сигналы».
_______________
Перевод Антон Меньшенин , редактор Вера Круз , автор блога Обзоры фильмов и книг Веры Круз .
Исследование — Keiko Weir et al. A molecular filter for the cnidarian stinging response, eLife (2020). DOI: 10.7554/eLife.57578
Оригинал материала — Scientists discover how jellyfish know when to sting
