Внимательно изучив нервные системы креветок-богомолов, главных членистоногих хищников кораллового рифа, исследователи под руководством Ника Штраусфельда из Аризонского университета и Габриэллы Вольф из Вашингтонского университета обнаружили структуры мозга, которые - по хрестоматийной мудрости - быть не должно.
Известные как грибовидные тела, эти структуры, играющие ключевую роль в формировании памяти и обучении, до сих пор были обнаружены только у насекомых. Полученные данные, по-видимому, ставят под сомнение наиболее распространенный сценарий, прослеживающий эволюцию структур мозга у членистоногих.
Поскольку общепризнано, что насекомые произошли от ракообразных, а грибовидные тела принадлежат исключительно насекомым (по крайней мере, так казалось), большинство биологов согласны с тем, что эти уникальные структуры мозга развились после того, как линия насекомых отделилась от линии ракообразных..
Последствия исследования, опубликованного в журнале eLIFE с открытым доступом, указывают на один из двух возможных сценариев, оба с одинаковой вероятностью вызовут шумиху в научном сообществе. По словам Штраусфельда, профессора департамента неврологии Университета Австралии и старшего автора статьи, одна из интерпретаций предполагает, что грибовидные тела намного древнее, чем предполагали ученые, и были потеряны почти у всех ракообразных, кроме креветок-богомолов, группы, известной как ротоногие. это родственная группа ракообразных, таких как креветки, омары и крабы. В другом сценарии грибовидные тела у ротоногих эволюционировали независимо друг от друга и аналогичны своим аналогам у насекомых в результате процесса, известного как конвергентная эволюция..
Членистоногие, насчитывающие более 4 миллионов видов, являются самой крупной и разнообразной группой животных, включая ракообразных, насекомых и пауков. Считается, что все членистоногие произошли от общего предка, скорее всего, существа, населявшего дно океана более 550 миллионов лет назад. Точное ветвление генеалогического древа членистоногих в то раннее время остается туманным, схематичная картина скрыта слоями глубокого времени и пробелами в палеонтологической летописи.
Визуализируя клетки и нейронные связи в мозге креветок-богомолов, авторы исследования показывают, что среди ракообразных только креветки-богомолы обладают настоящим грибовидным телом. Интересно, однако, что они также обнаружили некоторые атрибуты этих знаковых структур у близких родственников креветок-богомолов: креветок-чистильщиков, креветок-пистолетов и наземных крабов-отшельников.
Это не может быть совпадением, предполагают авторы, утверждая, что среди ракообразных креветки-богомолы и их родственники являются единственной известной группой, которая зависит от памяти о точном местоположении. Поэтому не может быть совпадением, что именно эти таксоны сохранили грибовидные тела, потому что «одной из предполагаемых движущих сил эволюции больших грибовидных тел является требование вспомнить точное местоположение и свойства мест, из которых можно получить пищу», как пишут авторы..
«У насекомых грибовидные тела необходимы для обучения и памяти», - говорит Штраусфельд. «Ранее мы показали, что у тараканов они необходимы для запоминания места. Это может быть верно для большинства насекомых. Обнаружение этой структуры у ракообразного действительно интересно, потому что это предполагает, что она могла возникнуть в глубокое время: древний центр, сохранившийся более полумиллиарда лет, чтобы выполнять эту функцию."
Используя технику, известную как иммуногистохимия, Вольф и Штраусфельд сначала подготовили очень тонкие срезы ткани мозга креветки-богомола и применили антитела, которые специфически обнаруживают определенные белки, которые, как известно, играют важную роль в обучении и памяти. Поскольку эти антитела связаны с флуоресцентными маркерами, исследователи могут проследить точное расположение этих белков, поскольку они обрисовывают анатомическую архитектуру нервной системы..
«Когда мы изучаем под микроскопом срезы, окрашенные для белков обучения и памяти, характерные доли грибовидных тел, которые типичны для грибовидных тел насекомых, светятся очень интенсивно», - говорит Страусфельд.
Команда уверена, что идентифицированные ею структуры действительно являются грибовидными телами. В то время как в прошлом для идентификации этих отличительных структур в мозге насекомых обычно использовались всего три нейроанатомических признака, команда расширила этот набор признаков до 14 и, по словам Штраусфельда, «к нашему удовольствию, как и насекомые, креветки-богомолы обнаруживают каждый из них». их."
Авторы исследования признают, что, хотя их выводы и интригуют, они не дают окончательного вывода о том, как именно и когда эволюционировали грибовидные тела. Гипотеза о том, что идентичные центры такой ошеломляющей сложности развились конвергентно у ротоногих и насекомых, столь же увлекательна, как и альтернативная гипотеза о грибовидных телах, возникших на ранней стадии эволюции всех членистоногих. Штраусфельд и его соавторы не делают ставку на то, что одно более вероятно, чем другое.
«Мы не можем исключить конвергенцию, - говорит Вольф, - потому что сложные структуры могут эволюционировать несколько раз, хотя это и не самый вероятный сценарий».
Как высшие хищники, которые используют свое грозное зрение, чтобы выслеживать и охотиться на добычу на значительных расстояниях, креветки-богомолы должны оценивать и запоминать сложные особенности окружающей их среды, отмечают авторы. Точно так же креветки-чистильщики, креветки-пистолеты и наземные крабы-отшельники полагаются на продвинутые навыки пространственной и временной памяти, которыми не обладают другие виды ракообразных, которые, возможно, утратили свои грибовидные тела в ходе эволюции..
В предыдущих исследованиях Вольф и Штраусфельд обнаружили структуры, напоминающие грибовидные тела у таксонов, которые эволюционировали до ракообразных и насекомых, таких как многоножки, пауки и даже плоские черви. Вольф говорит: «Я думаю, наиболее вероятно, что эти структуры существовали у последнего общего предка членистоногих, а виды, у которых их нет, вторично их утратили».
Авторы надеются, что изучение транскриптомов грибовидных тел, паттернов экспрессии генов, характеризующих задействованные нейроны, послужит окончательным арбитром.
"Вопрос, на который мы в конечном итоге хотим ответить: каким был самый ранний мозг?" - говорит Штраусфельд. «Наше исследование дает нам представление о древней структуре мозга. Самый ранний мозг определялся не просто как передний конец нервной системы, а как нечто более сложное. Окаменелые следы, сделанные более 520 миллионов лет назад, показывают нам, что даже самый ранний мозг мог принять решение о том, что делать дальше и куда вернуться, и эти решения вполне могли быть основаны не только на непосредственной сенсорной информации, но и на воспоминаниях».