Акулы, скаты и скаты могут охотиться за добычей, спрятанной на песчаном морском дне, «прислушиваясь» к слабым следам биоэлектричества - они буквально чувствуют биение сердца своей добычи. Базовая анатомия электросенсорных органов, выполняющих этот подвиг, известна уже несколько десятилетий, но биологические механизмы - то, как электросенсорные клетки улавливают слабые электрические признаки жизни, - оставались загадкой.
Теперь, в новом исследовании, опубликованном онлайн в журнале Nature, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско раскрыли тайну электросенсорного органа Leucoraja erinacea, обычно называемого маленьким коньком, в серии экспериментов, которые проследили механизмы электроощущения. весь путь от генов до клеточной физиологии и поведения.
«Скаты и акулы имеют одни из самых чувствительных электрорецепторов в мире животных», - сказал Дэвид Джулиус, доктор философии, профессор и заведующий кафедрой физиологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско и старший автор нового исследования. «Понимание того, как это работает, похоже на понимание того, как белки в глазах воспринимают свет - это дает нам представление о совершенно новом сенсорном мире».
В своем исследовании исследователи сначала выделили электросенсорные клетки из ампулярных органов скатов, которые опосредуют электроощущение, а затем выполнили чувствительные записи, которые выявили два ионных тока - чувствительный к напряжению кальциевый ток, который пропускает ионы кальция в клетку в ответ к электрическим нарушениям, а калиевый ток, чувствительный к кальцию, изменяет нормальные электрические свойства клетки. Эти токи взаимодействуют друг с другом, вызывая электрические колебания в клеточных мембранах, чрезвычайно чувствительные к внешним электрическим возмущениям. Это колебание действует почти как усилитель, позволяющий скутеру обнаруживать крошечные электрические возмущения, создаваемые электрическим полем организма-жертвы.
Эксперименты по экспрессии генов, которые потребовали от исследователей функциональной аннотации генома ската, подтвердили идентичность двух конкретных подтипов кальциевых и калиевых каналов (называемых каналами CaV1.3 и BK соответственно) с уникальными характеристиками, которые обеспечивают электросенсорные способности скатов. восприятие. В одном из экспериментов исследователи добавили целевые мутации в аналогичные гены ионных каналов из генома крысы, чтобы сделать их более похожими на каналы скатов. Эксперименты в лабораторных чашках показали, что эти изменения придавали каналам крыс электрические свойства, которые заставляли их работать так же, как у скатов. электросенсорные клетки.
Наконец, исследователи продемонстрировали поведенческую важность этих каналов для электроощущения коньков: они поместили живых коньков в резервуары с источником электричества, скрытым под слоем песка, и показали, что в то время как нормальные коньки проводили большую часть своего времени, ориентируясь в направлении и исследуя квадрант резервуара со скрытым электрическим сигналом, коньки с этими ключевыми ионными каналами, заблокированными наркотиками, казалось, не подозревали о симулированной еде всего в нескольких дюймах от них.
Выводы не только раскрывают новое понимание того, как скаты и акулы находят себе пищу, но и могут дать новую информацию о нашей собственной биологии, говорят исследователи. Примечательно, что электросенсорная система ската эволюционно родственна слуховой системе млекопитающих, и существует много общего между электросенсорными органами ската и «волосковыми клетками» внутреннего уха, ответственными за чувствительный слух у млекопитающих.
«Версии одних и тех же ионных каналов с немного отличающимися электрическими свойствами одинаково важны для наших ушей», - сказал Николас Беллоно, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Юлиуса и соавтор нового исследования. «Поэтому понимание того, как небольшие различия в этих каналах влияют на электрическую функцию, может быть важно для лучшего понимания слуховой системы».
Дункан Лейтч, доктор философии, постдокторский исследователь в лаборатории Юлиуса и другой соавтор статьи, добавил: «Электроощущение также неоднократно развивалось на древе жизни, поэтому будет очень интересно посмотреть, как другие виды решили ту же проблему. Это исследование открывает двери для более широкого понимания биологии и эволюции электрических ощущений в животном мире».