Головоногие моллюски возникли около 530 миллионов лет назад. Первоначально все они имели твердую наружную раковину, но примерно 350 миллионов лет назад от основного эволюционного ствола головоногих отделились колеоидеи, у которых раковина переместилась внутрь тела и в значительной степени редуцировалась. К колеоидеям относятся современные кальмары, каракатицы и осьминоги.
Развитие сложного адаптивного поведения способствовало развитию нервной системы. Мозг кальмара представлен окологлоточным скоплением ганглиев, которое находится над и под пищеводом. Мозг включает крупные зрительные доли, вертикальные доли, отвечающие за обучение и память, доли, контролирующие движение моллюска, питание, управление щупальцами.
От мозга в мантийную полость направлено два толстых мантийных нерва — гигантские аксоны (см. Squid giant axon; на главном фото они окрашены голубым цветом), которые идут к крупным звездчатым ганглиям, они отлично видны на фото — от них веерообразно расходятся нервы, идущие к многочисленным мускульным волокнам мантии. Звездчатые ганглии иннервируют мускульную мантию, отвечая за ее сокращение во время реактивного движения моллюска. В плавники идут два толстых нерва, которые разветвляются на множество более тонких (они видны в задней части главного фото), они, собственно, отвечают за сокращение мышц плавников. Плавники кальмар использует во время спокойного передвижения, а реактивное движение — когда охотится или уходит от опасности.
Строго говоря нервную систему кальмара вполне можно сравнивать с нервной системой, например, насекомых в основе то же окологлоточное кольцо, но моллюски не имеют и никогда не имели сегментации, а черви, насекомые и хордовые сегментированы. То есть надо считать моллюсков, в том числе кальмаров более примитивными существами, чем черви, насекомые и хордовые. Но вот парадокс, кальмаров по интеллекту многие исследователи сравнивают с позвоночными животными. Можно было бы это считать обычными измышлениями как бы учёных, но вот и эмбриологи заявили, что мозг кальмара развивается так же, как и мозг позвоночных…
Головоногие моллюски известны своими удивительными способностями: они могут, например, искусно маскироваться в окружающей среде, использовать инструменты для решения проблем, обладают невероятной памятью и отличаются любопытством. У них самый высокоразвитый мозг среди всех беспозвоночных. Исследователям из Центра системной биологии FAS при Гарвардском университете удалось проследить некоторые механизмы, приводящие к появлению этого необычного живого мозга: оказалось, что его развитие очень похоже на развитие позвоночных. Класс головоногих моллюсков, к которому относятся кальмары, каракатицы и осьминоги, появился в конце кембрия, около 500 миллионов лет назад. Его представители развивались иначе, чем позвоночные. Однако они имеют большую и сложную нервную систему и глаза высокой четкости – характеристики, присущие роду позвоночных.
“Размер нервных систем животных и разнообразие типов клеток, составляющих их, являются результатом жесткой регуляции клеточной пролиферации и дифференциации во время развития”, — объясняют исследователи в журнале Current Biology.
Однако процессы, определяющие размер нервной системы и приводящие к такому клеточному разнообразию, изучены недостаточно хорошо. Чтобы выяснить это, биолог Кристен Кениг и ее команда использовали новый метод визуализации, который позволил им наблюдать за созданием нейронов у эмбрионов кальмара вида Doryteuthis pealeii, который особенно многочислен в северо-западной части Атлантического океана, практически в режиме реального времени. Они следили за этими клетками на протяжении всего развития нервной системы сетчатки глаза животного.
Команда использовала методы, аналогичные тем, которые применяются для изучения модельных организмов, таких как плодовые мушки и данио-рерио. Стволовые клетки были помечены флуоресцентным красителем, чтобы их можно было картировать и отслеживать; исследователи наблюдали за поведением каждой из них с помощью самых современных микроскопов, сфокусированных на сетчатке глаза эмбрионов кальмара, где сосредоточено две трети нервной ткани животного. Они делали снимки с высоким разрешением каждые 10 минут в течение нескольких часов.
Команда обнаружила, что кальмар Doryteuthis pealeii использует в процессе нейрогенеза сетчатки глаза механизмы, характерные для процессов, наблюдаемых у позвоночных животных.
“Наши результаты удивительны, поскольку многое из того, что мы знаем о развитии нервной системы у позвоночных, долгое время считалось специфичным для этой линии”, — говорит Кристен Кениг.
Процесс начинается с формирования особого типа структуры, называемой «псевдо-многослойным эпителием»: клетки удлиняются, образуя плотный скопление, но все остаются в контакте с базальной мембраной. Затем исследователи обнаружили, что клетки-предшественники сетчатки кальмара подвергаются ядерной миграции, пока не выйдут из клеточного цикла; ядро этих структур движется вверх и вниз, до и после деления. “Это движение важно для поддержания организованности тканей и обеспечения дальнейшего роста”, — сказали они. Схема сложной нервной системы Этот псевдомногослойный эпителий повсеместно наблюдался в развитии мозга и глаз у позвоночных, и из-за этого долгое время считалось, что это одна из причин, по которой нервная система позвоночных может стать такой большой и сложной. Это уже наблюдалось у других животных, но эпителий кальмаров оказался на удивление очень похож на эпителий позвоночных как по размеру, так и по организации и подвижности клеточных ядер.
Таким образом, хотя позвоночные и головоногие отделились друг от друга 500 миллионов лет назад, развитие их нервной системы основано на одних и тех же механизмах, и нервные клетки, кажется, следуют одному и тому же плану.
********
Зоологи заподозрили, что головоногие моллюски могут видеть кошмары. Понаблюдав за живущем в неволе осьминогом по имени Костелло, исследователи выявили четыре случая, когда он во сне резко менял цвет, беспорядочно двигал телом и конечностями и даже выпускал чернила. Возможно, спящий моллюски видел сновидения с участием хищников — и пытался от них защититься или сбежать. Препринт исследования опубликован на сайте bioRxiv.
*******
Человеческие гены и интеллект моллюсков
Осьминоги действительно очень умны. Теперь ученые выяснили, откуда у этих моллюсков такие невероятные когнитивные способности. Подсказки, которые обнаружили ученые, называются «прыгающими генами», или транспозонами. Они составляют 45% человеческого генома. «Прыгающие гены» — это короткие последовательности ДНК, способные копировать и вставлять или вырезать и вставлять себя в другое место в геноме. У нескольких видов они были связаны с эволюцией геномов.
Как у людей, так и у осьминогов большинство транспозонов находятся в состоянии покоя, либо отключены из-за мутаций, либо заблокированы от репликации клеточной защитой. Но один вид транспозонов у людей, известный как длинные вкрапленные ядерные элементы (Long Interspersed Nuclear Elements/LINE), все еще может быть активным. Данные предыдущих исследований показывают, что «прыгающие гены» с LINE жестко регулируются мозгом, но по-прежнему важны для обучения.
Когда ученые более внимательно изучили «прыгающие гены» осьминогов, которые могут свободно копировать и вставлять себя по всему геному, они обнаружили транспозоны из семейства LINE. Этот элемент был активен в вертикальной доле осьминога — участке мозга головоногих, который имеет решающее значение для обучения и функционально аналогичен человеческому гиппокампу.
Результаты этого исследования не только связывают «прыгающие гены» с интеллектом осьминога, они также предполагают, что линейные транспозоны делают больше, чем просто «прыгают». Они играют определенную роль в обработке когнитивной информации, предположили авторы работы. Согласно исследованию, поскольку «прыгающие гены» являются общими для людей и осьминогов, они могут быть хорошими кандидатами для будущих исследований интеллекта и того, как он развивается и изменяется у разных особей внутри вида.