Представьте, что у вас сверхчеловеческий слух. Вы находитесь на шумной коктейльной вечеринке, и все же ваши уши могут уловить обычно неслышимые звуки, издаваемые мышцами ваших друзей, когда они наклоняются, чтобы поджарить последние сплетни. Но, в отличие от обычного слуха, каждый из этих звуков заставляет ваши уши реагировать одинаково. Нет никакой разницы между самыми тихими и самыми громкими движениями. Для ваших сверхчеловеческих ушей все они звучат громко, как гудки. Согласно исследованию, финансируемому Национальным институтом здравоохранения, возможно, именно так реагирует электрочувствительный орган акулы, когда он обнаруживает крошечные электрические поля, исходящие от ближайшей добычи.
У акул есть невероятная способность улавливать наноскопические токи во время плавания сквозь вихрь электрических шумов. Наши результаты показывают, что электрочувствительный орган акулы настроен так, чтобы реагировать на любое из этих изменений внезапным, все-или- никоим образом, как бы говоря: «Атакуйте сейчас», - сказал Дэвид Джулиус, доктор философии, профессор и заведующий кафедрой физиологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско и старший автор исследования, опубликованного в Nature. Его команда изучает клетки и молекулы, вызывающие боль и другие ощущения. Например, их результаты помогли ученым понять, почему перец чили горячий, а ментол холодный.
Под руководством доктора наук Николаса В. Беллоно, доктора философии. и Дункан Б. Лейтч, доктор философии, группа доктора Джулиуса показала, что реакция акулы может сильно отличаться от реакции одного и того же органа у скатов, плоских, крылатых, эволюционных родственников акул и скатов, и это может помочь объяснить, почему акулы используют электрические поля исключительно для поиска добычи, в то время как скаты используют их для поиска еды, друзей и партнеров. Они также показали, как гены, кодирующие белки, называемые ионными каналами, могут контролировать уникальное «шестое чувство» акулы.
Ионные каналы, по сути, заставляют нервную систему работать. Они играют важную роль в контроле потока информации через нервную систему. Мутации в ионных каналах могут быть разрушительными и связаны с различными расстройствами, включая муковисцидоз. и некоторые формы эпилепсии, мигрень, паралич, слепота и глухота», - сказала Нина Шор, доктор медицинских наук, заместитель директора Национального института неврологических расстройств и инсульта Национального института здравоохранения. «Подобные исследования подчеркивают роль, которую одиночный ионный канал может играть в нервной системе любой акулы, ската или человека».
У обоих морских существ сети органов, называемые ампулами Лоренцини, постоянно исследуют электрические поля, через которые они плывут. Электричество проникает в органы через поры, окружающие рты животных, и образует замысловатые узоры на дне их рыл. Оказавшись внутри, он проходит через специальный гель через виноградную лозу каналов, заканчивающихся пучками сферических клеток, которые могут воспринимать поля, называемые электрорецепторами. Наконец, клетки передают эту информацию в нервную систему, выпуская пакеты химических мессенджеров, называемых нейротрансмиттерами, в точки связи или синапсы, созданные с соседними нейронами.
На протяжении десятилетий ученые знали, что мельчайшие изменения в электрических полях стимулируют градуированный диапазон волнистых токов в клетках коньков, подобно тому, как наши уши реагируют на звуки. Большие поля стимулировали большие токи, в то время как меньшие поля вызывали меньшие реакции. А в прошлом году Drs. Беллоно и Лейтч показали, как гены белков, называемых ионными каналами, контролируют ответы. Но мало кто видел, как отреагировали клетки акул.
В этом исследовании команда сравнила токи, зарегистрированные от маленьких электрорецепторных клеток скатов, с токами от цепной кошачьей акулы. Они обнаружили, что, хотя обе клетки были чувствительны к одному и тому же узкому диапазону скачков напряжения, их реакции были очень разными. Течения акул были намного больше, чем течения скатов, и они были одинакового размера и волнистости для каждого удара. Напротив, клетки конька реагировали потоками, меняющимися как по размеру, так и по волнистости на каждый толчок.
Дальнейшие эксперименты показали, что эти противоположные ответы могут быть связаны с разными генами ионных каналов, которые кодируют белки, образующие туннели в клеточной мембране или коже. При активации туннели открываются и создают электрические токи, позволяя ионам или заряженным молекулам входить и выходить из клетки.
Drs. Беллоно и Лейтч показали, что, хотя электрорецепторы акул и скатов могли использовать один и тот же тип чувствительных к напряжению кальциевых ионных каналов для восприятия импульсов, они, по-видимому, использовали очень разные типы калиевых проводящих ионных каналов для формирования ответов. Их результаты показали, что клетки акул использовали специальный канал, активируемый напряжением, который поддерживал большие повторяющиеся ответы, в то время как клетки ската использовали канал, активируемый кальцием, который имел тенденцию ослаблять начальные токи.
Кроме того, они предположили, что напряжения, при которых клетки электрически отдыхали, также могли способствовать реакции. Напряжение акулы было немного ниже, чем у ската, и находилось в таком диапазоне, что ионные каналы кальция могли бы реагировать более сильными токами.
Эти различия также повлияли на то, как электрорецепторы передавали информацию остальной части нервной системы. Результаты показали, что электрорецепторы акул в основном высвобождают одинаковое количество пакетов нейротрансмиттеров, независимо от размера скачков напряжения. Напротив, большие разряды заставляли клетки скейта отправлять больше сообщений, а меньшие - меньше.
«Почти во всех отношениях электросенсорная система акулы похожа на систему ската, поэтому мы ожидали, что клетки акулы будут реагировать дифференцированно», - сказал доктор Беллоно. «Мы были очень удивлены, когда обнаружили, что система акул совершенно иначе реагирует на раздражители».
В конечном счете, эти различия повлияли на то, как акулы и скаты реагируют на электрические поля, имитирующие поля, создаваемые добычей. Чтобы проверить это, исследователи подвергли акул и скатов, плавающих в одиночестве в аквариумах, воздействию широкого диапазона частот электрического поля низкого напряжения, а затем измерили частоту их дыхания. Как и ожидалось, коньки реагировали по-разному. Некоторые частоты вызывали увеличение частоты дыхания по сравнению с состоянием покоя, в то время как другие вызывали минимальные изменения. Результаты могут помочь объяснить, почему предыдущее исследование показало, что скаты могут использовать свое электросенсорное восприятие для обнаружения как добычи, так и партнеров.
А акулы? В основном у них была одна простая реакция. Почти каждое поле увеличило частоту дыхания до уровня, наблюдаемого при запахе пищи, что свидетельствует о том, что их система настроена на одно: ловлю добычи.
Так почему исследователь боли и перца чили решил изучать акул?
"Короче говоря, это круто!" - сказал доктор Джулиус. «Наша миссия - понять, как нервная система контролирует боль и другие ощущения. У акул и скатов есть уникальная сенсорная система, которая улавливает электрические поля. Хотя люди не разделяют этот опыт, вы можете многому научиться, изучая уникальные или экстремальные системы в природе. Это также увлекательный способ узнать о том, как эволюция формирует чувства».