دراسات تكشف كيف تطورت الأخطبوطات لتستشعر محيطها على مدى 300 مليون سنة

لطالما كانت الأخطبوطات مصدر فضول للباحثين وغير الباحثين على حد سواء. تشتهر هذه اللافقاريات بأنها واحدة من أكثر اللافقاريات ذكاءً ، وهي المجموعة التي تضم الأخطبوطات والحبار والحبار ، ولها دماغ على شكل كعكة وثلاثة قلوب. وبالطبع ثمانية مخالب عادة.

تمتلك الأخطبوطات عددًا من الخلايا العصبية في أذرعها أكثر من الدماغ المركزي. يستخدمون هذه المجسات أو الأطراف ليس فقط ليشعروا ببيئتهم ولكن أيضًا لاصطياد فرائسهم.

تكشف دراستان منفصلتان الآن كيف تكيفت هذه الكائنات الإسفنجية والغامضة وتطورت بمرور الوقت لاستشعار محيطها البحري.

تكشف الدراسة الأولى كيف تطورت المستقبلات الحسية للأخطبوط من مستقبلات الناقل العصبي أستيل كولين ، وهي نفس المستقبلات التي يمتلكها البشر عند تقاطعهم العصبي العضلي. يقول الباحثون إن مستقبلات الأخطبوط تطورت لتشعر بجزيئات دهنية وغير قابلة للذوبان تلتصق بالأسطح. هذا يعني أن مستقبلات الأخطبوط ، بمجرد ارتباطها بجزيئات دهنية غير قابلة للذوبان ، يمكنها اكتشاف هذه المواد الكيميائية الدقيقة على الأسطح مثل قاع المحيط أو جلد السمكة أو بيض الأخطبوط.

قال كبير الباحثين نيكولاس بيلونو ، الأستاذ المساعد في قسم البيولوجيا الجزيئية والخلوية بجامعة هارفارد: "إنهم يستخدمون أذرعهم للاستكشاف المائي الذي يعتمد على التلامس للشقوق في قاع البحر" من أجل "التذوق عن طريق اللمس" .

الورقة الثانية تلقي نظرة على كيفية نشأة هذه المستقبلات الكيميائية في رأسيات الأرجل ، مثل الحبار. باستخدام مجموعة من التنميط الجيني ، وعلم وظائف الأعضاء ، والتحليلات السلوكية ، وجد الفريق أن مستقبلات الحبار تكيفت بمرور الوقت لاستشعار الجزيئات المرة في محيطها. لذلك إذا شعر الحبار بالمرارة في جزيء ما ، فسوف يفسرها على أنها كيان سام أو غير مرغوب فيه وسيطلقها.

يشرح بيلونو ، الذي كان مؤلفًا مشاركًا في الورقة الثانية أيضًا ، "في هذه الحالة ، كان هناك عدد أقل من المستقبلات مقارنة بالأخطبوط ، وبدوا أشبه بجيب ربط الناقل العصبي من حيث أنه يمكنه ربط المزيد من الجزيئات المحبة للماء. نرى هذا الاختلاف بين الأخطبوط والحبار على أنه يعكس الجدول الزمني التطوري والتكيف ، حيث نرى الانتقال من النقل العصبي في مستقبلات الأسيتيل كولين إلى الطعم المر القابل للذوبان في الحبار ، إلى أحدث ابتكارات لاستشعار الذوق عن طريق اللمس للجزيئات غير القابلة للذوبان في الأخطبوط. "

أظهر هذا التحليل لجينومات رأسيات الأرجل أنه على الرغم من أن الحبار والأخطبوطات تأتي من نفس السلف ، فإن مستقبلاتهم الحسية قد تطورت بشكل مستقل بعد انقسام تطوري قبل حوالي 300 مليون سنة.

ملخص الدراسة 1

المستقبلات الكيماوية (CRs) هي ابتكار خاص برأسي الأرجل يسمح للأخطبوطات باستكشاف قاع البحر عبر "التذوق باللمس" 1. تباعدت CRs عن مستقبلات أستيل كولين النيكوتين للتوسط في التحسس الكيميائي المعتمد على التلامس للجزيئات غير القابلة للذوبان التي لا تنتشر بسهولة في البيئات البحرية. هنا نستغل الأخطبوط CRs لاستكشاف الأساس الهيكلي لتطور المستقبلات الحسية. نقدم بنية المجهر الإلكتروني المبرد لأخطبوط CR ونقارنه بمستقبلات النيكوتين لتحديد الميزات التي تمكّن الإحساس البيئي مقابل النقل العصبي. تظهر التحليلات التطورية والهيكلية والفيزيائية الحيوية أن بنية القناة المشاركة في تغلغل الكاتيونات ونقل الإشارة محفوظة. على النقيض من ذلك ، يخضع موقع ربط الترابط التقويمي لتنويع الاختيار ، وبالتالي التوسط في اكتشاف جزيئات جديدة. تكشف النتائج المصادفة في بنية المجهر الإلكتروني المبرد أن جيب ربط الأخطبوط CR كاره للماء بشكل استثنائي ، مما يتيح الإحساس بالمركبات الدهنية مقابل الجزيئات القطبية الصغيرة التي تم اكتشافها بواسطة مستقبلات الناقل العصبي الكنسي. توفر هذه الاكتشافات إطارًا هيكليًا لفهم الروابط بين التكيفات التطورية على المستوى الذري وظهور سلوك عضوي جديد.

ملخص الدراسة 2

يتيح تطور السمات الجديدة التوسع في مجالات بيئية وسلوكية جديدة. ومع ذلك ، لا تزال الروابط المثبتة بين الاختلاف في بنية البروتين ووظيفته وسلوكياته الخاصة بالنسب نادرة. نوضح هنا أن كلاً من الأخطبوط والحبار يستخدمان مستقبلات حركة كيميائية خاصة برأسي الأرجل (CRs) لاستشعار البيئات البحرية الخاصة بكل منهما ، لكن التكيفات الهيكلية في هذه المستقبلات تدعم الإحساس بجزيئات معينة مناسبة لأدوار فسيولوجية مميزة. نجد أن الحبار يعبر عن CRs القديمة التي تشبه إلى حد بعيد مستقبلات أستيل كولين النيكوتين ذات الصلة ، في حين تظهر الأخطبوطات توسعًا أكثر حداثة في CRs بما يتوافق مع نظامها الحسي `` الذوق باللمس ''. باستخدام مجموعة من التنميط الجيني وعلم وظائف الأعضاء والتحليلات السلوكية ، نحدد العضو المؤسس للحبار CRs الذي يكتشف الجزيئات المرة القابلة للذوبان ذات الصلة بالافتراس في الكمين. نقدم التركيب المجهري للإلكترون المبرد للحبار CR ونقارنه مع الأخطبوط CRs1 ومستقبلات النيكوتين 2 . تُظهر هذه التحليلات انتقالًا تطوريًا من `` قفص '' أروماتي أسلاف ينسق الناقلات العصبية القابلة للذوبان أو المذاقات إلى جيب ربط كاره للماء أحدث الأخطبوط CR والذي يحبس الجزيئات غير القابلة للذوبان للتوسط في التحسس الكيميائي المعتمد على التلامس. وبالتالي ، توفر دراستنا أساسًا لفهم كيف يؤدي تكييف بنية البروتين إلى تنويع السمات والسلوكيات العضوية.