章鱼凭感觉寻找佳肴,但长期以来,研究者认为这种感觉不止触摸。
(资料图片)
Corey:“以触作尝”,这个词结合了机械感知和化学感知。
现在研究者认为,他们正在揭晓''这一所谓“化学触觉”的背后机制。
Corey:这种化学触觉如何起作用?有哪些相关细胞和分子?章鱼如何利用它们与外界互动?
他们的研究打开了一个新窗口,让人们了解感觉系统如何演化以及如何影响行为。
Guipeun:章鱼是理解分子演化如何影响动物感觉系统的理想模型。
章鱼体验世界的方式与人类非常不同。
【美国哈佛大学】Corey Allard:显然有些方式是我们熟悉的,我们知道章鱼是视觉动物,它们靠眼睛。但它们的惊人之处在于,它们能用8条神秘腕足,它们用腕足触摸海底缝隙,探索眼睛等器官看不见的地方和表面。
章鱼似乎只靠腕足就能接受或拒绝潜在猎物,这种行为让研究者开始探究它们的感觉能力。
Corey:1960年代的早期研究,揭示了吸盘上皮看起来像是感觉细胞的东西,这是最先让我们好奇的一个地方,就好像腕足与吸盘内真的有个感觉系统,但我们对其如何作用一无所知。
但2015年发表的首个章鱼基因组催生了许多新研究,包括章鱼不同部位的基因表达谱。
Corey:逻辑上,我们在找的感觉受体,在章鱼的吸盘边缘应该比在别的地方更丰富。而令我们惊讶的是,我们找到的不是一个受体或几个受体,而是整个化学触觉受体家族。
但是他们发现的化学触觉受体(chemotactile recaption),简称CR,和感觉系统里常见受体的类型看起来不同。
Corey:它们和已知的感觉受体不同,更接近于一组称为烟碱乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptor)的受体家族。
烟碱乙酰胆碱受体在许多动物的神经系统中都有发现,但通常它们检测体内的神经递质,并参与控制肌肉收缩等过程。
在人类中,研究重点在从治疗帕金森症到尼古丁成瘾等疾病。但它们不是感觉受体,或者说研究者是这么认为的。
Corey:在章鱼的演化过程中,它们把这些古代的烟碱乙酰胆碱受体转变成了感觉受体,乍一看几乎一模一样,直到我们深入研究才开始了解,介导这些功能差异的一些结构区域。
研究团队使用冷冻电镜对这些章鱼的受体成像,将之与其他动物体内常见的烟碱受体的结构作比较,在配体结合位点发现了一处微小但重要的不同,也就是受体与化学伙伴结合的位置。
在烟碱受体中,这是一个笼状结构,与乙酰胆碱等神经递质结合,使其打开离子通道传递信号。
但章鱼的受体则不同,它不是笼状的,它们演化出一种浅沟,能与更多种类的物质结合,特别是与水不易混合的物质,如潜在猎物留在海底的各种油状残余,是个有用的狩猎工具。
Corey:我们称它是一种化学触觉感知,基本上结合了对化学物质的化学感觉和触觉。
这能澄清以触作尝的分子机制,有助于解释章鱼的一些独特行为,尤其是将之与乌贼等近缘动物的同类受体的结构作比较。
【美国得克萨斯大学西南医学中心】Guipeun Kang:章鱼用它们的化学触觉受体进行探索性捕食。有趣的是,章鱼和乌贼的捕食策略不一样。乌贼不用腕足探索,它们是伏击型捕食者,它们隐藏、出击、抓住潜在猎物,再决定吃还是不吃。
研究者说,不同的受体可以解释这种行为差异。例如章鱼受体在开放水域是没用的。
Corey:它们能感觉到的化合物类型是一些很厌水的分子,一般不会出现在海洋水体中,而只能在海洋环境的表面上找到,所以得实际触摸它们也很合理。
Guipeun:相反,乌贼的化学触觉受体结合位点,不是对油脂分子做出反应,而是响应苦味物质。这些物质是可溶的,易溶于水。这解释了乌贼截然不同的捕食行为。
分子水平上的演化差异与截然不同的能力,和行为是一致的。而这还没有结束。
Guipeun:我们还有很多不明白的地方,我们刚开始研究章鱼和乌贼的每个受体,还有很多章鱼和乌贼的化学触觉受体,各自有着不同的性质,执行感觉系统中不同的功能。
例如,有证据表明一些章鱼受体还可以探测电压,但这一能力如何适应其更大的感觉系统仍不明确。即使在化学触觉受体的领域里,也还有很多需要了解。
Corey:我们刚开始研究的时候,还以为我们在研究一种用于捕食、寻找猎物的感觉系统。尽管我们仍然这么认为,但我们目前的发现更像是一些负面刺激,或者说章鱼所不喜欢的东西。所以我们很想发现,在CR的这种多样性里,是否有某些受体介导,我们称为食欲的东西,或是章鱼可能想吃的东西。或者章鱼什么都吃,除非有个信号,说别吃这个。
研究者正在逐渐对感觉系统的演化建立更好的理解,并能够结合行为观察和复杂的结构化理解,这让科学家又获得了一块演化拼图的新碎片。
Guipeun:头足类,包括鹦鹉螺和鱿鱼,它们的演化和章鱼乌贼不同,所以探索它们在分子层面、原子层面以及动物行为层面的差异和原因将会很有意思。
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