Осьминоги - бесспорные любимцы научного интернета, и не зря. Они невероятно умные решатели проблем и хитрые мастера побега с большой и сложной нервной системой. Они обладают почти волшебными способностями мгновенно менять цвет, текстуру и форму кожи, а также могут восстанавливать недостающие руки по своему желанию.
Но последние дни самки осьминога после размножения довольно мрачны, по крайней мере, для человеческого глаза. Осьминоги - полуплодные животные, а это значит, что они размножаются один раз, а затем умирают. После того, как самка осьминога откладывает кладку яиц, она перестает есть и чахнет; к тому времени, когда яйца вылупятся, она умрет. На более поздних стадиях некоторые самки в неволе, кажется, даже намеренно ускоряются по спирали смерти, ударяясь о стенки аквариума, отрывая куски кожи или поедая кончики собственных щупалец. (Если вам интересно, самцы отделаются не легче. Самки часто убивают и поедают своих самок, а если нет, то тоже умирают через несколько месяцев).
В 1977 году психолог из Университета Брандейса Джером Водинский показал, что если он удалил зрительную железу у самок карибского двухточечного осьминога (Octopus hummelincki), то произошло нечто интересное. Зрительная железа похожа на гипофиз большинства наземных животных, так называемая, потому что она находится между глазами. Без них самки осьминогов бросали свои яйца, возобновляли кормление, а некоторые даже снова спаривались. В то время Водинский и другие биологи, занимающиеся головоногими, пришли к выводу, что зрительная железа должна выделять какой-то гормон «самоуничтожения», но что это было и как оно работало, было неясно..
Новое исследование, проведенное нейробиологами из Чикагского университета, использует современные инструменты генетического секвенирования для описания нескольких различных молекулярных сигналов, производимых зрительной железой после размножения самки осьминога. Исследование, опубликованное в Journal of Experimental Biology, также подробно описывает четыре отдельные фазы материнского поведения и связывает их с этими сигналами, предлагая, как зрительная железа контролирует гибель матери-осьминога.
«Мы переносим исследования головоногих в 21 век, и что может быть лучше для этого, чем открыть орган, который исторически очаровывал биологов головоногих в течение долгого, долгого времени», - сказал З. Ян Ван., аспирант нейробиологии Калифорнийского университета в Чикаго, руководивший исследованием.
"Эти поведения настолько различны и настолько стереотипны, когда вы на самом деле видите их. Это действительно захватывающе, потому что впервые мы можем точно определить молекулярный механизм такого драматического поведения, что для меня является основной целью изучения нейронауки, " сказала она.
Карта спирали смерти
В 2015 году Клифтон Рэгсдейл, доктор философии, профессор нейробиологии Калифорнийского университета в Чикаго, и его команда секвенировали геном калифорнийского двухточечного осьминога (Octopus bimaculoides), первого головоногого моллюска, который когда-либо был полностью секвенирован. Ван была частью этой исследовательской группы и продолжила использовать этот фундамент для своей докторской диссертации.
В новом исследовании она использовала тех же калифорнийских двухточечных осьминогов для изучения их странного материнского поведения. Взрослые, неспарившиеся самки - активные хищники, которые проводят много времени вне своих логовищ и быстро набрасываются на похожих на добычу крабов-скрипачей. Однако на первом этапе насиживания спарившиеся самки сидят со своими яйцами, как глубоководные курицы, поглаживая их и обдувая кладку водой. Первые три-четыре дня они продолжают питаться, но редко оставляют икру, хватая случайного краба-неудачника только в том случае, если он подходит слишком близко.
Примерно через четыре дня они полностью перестают есть. Эта стадия размышлений может длиться еще восемь-десять дней, пока они не достигнут последней фазы быстрого упадка, когда все становится действительно ужасно. Самки становятся вялыми, проводят больше времени вдали от яиц или бьются об углы аквариума. Они начинают чрезмерно ухаживать за собой, проводя руками по своим мантиям, пока они не превращаются в запутанный беспорядок. Их кожа бледнеет, и они теряют мышечный тонус, даже больше, чем вы ожидаете увидеть у голодающего осьминога.
Ванг, который сделал домашних животных из некоторых осьминогов в лаборатории, сказал: «Это тревожно даже наблюдать в лаборатории, потому что с человеческой точки зрения они выглядят так, как будто они наносят себе увечья. просто очень, очень странное поведение."
Чтение сценария из зрительной железы
Ванг собирал зрительные железы осьминогов на каждой фазе и секвенировал РНК-транскриптом каждого из них. РНК несет в себе инструкции ДНК о том, как производить белки, поэтому ее секвенирование - хороший способ понять активность генов и то, что происходит внутри клеток в данный момент времени.
Во время фазы отсутствия спаривания, когда самки активно охотились и ели, они вырабатывали высокие уровни нейропептидов или небольших белковых молекул, используемых нейронами для связи друг с другом, которые были связаны с пищевым поведением у многих животных. После спаривания количество этих нейропептидов резко сократилось.
По мере того, как животные начали голодать и худеть, возросла активность генов, которые производят нейротрансмиттеры, называемые катехоламинами, стероиды, которые метаболизируют холестерин, и инсулиноподобные факторы. Ван сказал, что обнаружение активности, связанной с метаболизмом, было неожиданным, потому что это первый случай, когда зрительная железа была связана с чем-то другим, кроме размножения.
Неясно, как именно эти молекулярные и сигнальные изменения вызывают различные поведенческие изменения. Самки на ранней стадии насиживания продолжали есть, но активно не искали пищу. Это может означать, что нейропептиды влияют на количество энергии, которое осьминог тратит на поиск добычи. Некоторые мышцы могут начать разрушаться, поэтому осьминог физически не может охотиться или переваривать пищу. Увеличение выработки стероидов и инсулина может быть нацелено на репродуктивные ткани, которые способствуют материнскому поведению, или они могут направлять энергию от пищеварения и кормления.
«Раньше, когда мы знали только об зрительной железе, казалось, будто смотришь трейлер к фильму», - сказал Ван. «Вы поняли суть происходящего, но теперь мы начинаем узнавать о главных героях, их ролях и немного больше о предыстории».
Смерть в мире осьминогов
Научное жюри до сих пор не знает, почему эти умные, находчивые существа встречают такой позорный конец, но есть несколько теорий. Осьминоги - серьезные каннибалы, поэтому биологически запрограммированная смертельная спираль может быть способом удержать матерей от поедания их детенышей.
Они также могут расти практически бесконечно, поэтому устранение голодных взрослых предотвратит доминирование в экосистеме осьминогов нескольких массивных, капризных версий осьминогов бэби-бумеров. Но, может быть, несправедливо навязывать наш человеческий взгляд на мир головоногих.
«Очень странно видеть себя людьми, потому что мы размножаемся более одного раза и живем далеко за пределами нашего репродуктивного возраста», - сказал Ван. «Но если вся цель жизни состоит в том, чтобы передать свои гены, может быть, это не так уж и мрачно».