Черви без ушей «слышат» через кожу
Новый вид круглых червей, широко используемых в биологических исследованиях, способен ощущать и реагировать на звук, несмотря на отсутствие ушных органов. К такому выводу пришли учёные из Института наук о жизни Мичиганского университета.
Результаты исследования, которые должны быть опубликованы 22 сентября в журнале Neuron, предлагают новый биологический инструмент для изучения генетических механизмов, лежащих в основе слуха.
Лаборатория Шона Сю в Институте наук о жизни уже более 15 лет использует Caenorhabditis elegans для изучения сенсорной биологии. Когда эта работа начиналась, считалось, что эти миллиметровые черви обладают лишь тремя основными чувствами: осязанием, обонянием и вкусом.
С тех пор лаборатория Сю установила, что черви способны ощущать свет, несмотря на отсутствие глаз, а также чувствовать положение собственного тела во время движения (проприоцепция).
«Не хватало только одного основного чувства — слухового ощущения, или слуха, — сказал Сю, старший автор исследования. — Но слух отличается от других чувств, которые широко распространены среди других типов животных. Он действительно был обнаружен только у позвоночных и некоторых членистоногих. И подавляющее большинство видов беспозвоночных, как полагали, нечувствительны к звуку».
Однако учёные обнаружили, что черви реагируют на воздушные звуки в диапазоне от 100 герц до 5 килогерц — это более широкий диапазон, чем могут ощущать некоторые позвоночные. Когда воспроизводился тон в этом диапазоне, черви быстро удалялись от источника звука, демонстрируя, что они не только слышат тон, но и чувствуют, откуда он исходит.
Исследователи провели несколько экспериментов, чтобы убедиться, что черви реагируют именно на воздушные звуковые волны, а не на вибрации поверхности. Сю полагает, что черви воспринимают эти тоны, действуя как своего рода целостная улитка — спиральная, заполненная жидкостью полость во внутреннем ухе позвоночных.
У червей есть два типа слуховых сенсорных нейронов, тесно связанных с их кожей. Когда звуковые волны ударяются о кожу червей, они заставляют её вибрировать, что, в свою очередь, может вызывать вибрацию жидкости внутри червя, подобно тому, как жидкость вибрирует в улитке. Эти вибрации активируют слуховые нейроны, связанные с кожей червей, которые затем преобразуют вибрации в нервные импульсы.
Поскольку два типа нейронов локализованы в разных частях тела червя, он может определять источник звука на основе того, какие нейроны активированы. Это чувство может помогать червям обнаруживать и избегать хищников, многие из которых издают слышимые звуки во время охоты.
Исследование поднимает возможность, что другие безухие животные с мягким телом, такие как C. elegans — например, плоские черви, дождевые черви и моллюски — также могут ощущать звук.
«Наше исследование показывает, что мы не можем просто предполагать, что организмы, лишённые ушей, не способны ощущать звук», — отметил Сю.
Хотя слуховое чувство червей имеет некоторое сходство с тем, как слуховая система работает у позвоночных, это новое исследование выявляет важные различия с тем, как звук ощущают позвоночные или членистоногие.
«Основываясь на этих различиях, которые существуют вплоть до молекулярного уровня, мы полагаем, что чувство слуха, вероятно, развивалось независимо, много раз у разных типов животных, — сказал Сю. — Мы знали, что слух выглядит очень по-разному у позвоночных и членистоногих. Теперь, с C. elegans, мы нашли ещё один, отличный путь для этой сенсорной функции, что указывает на конвергентную эволюцию. Это резко контрастирует с эволюцией зрения, которая, как предположил Чарльз Дарвин, произошла довольно рано и, вероятно, только один раз у общего предка».
Теперь, когда все основные чувства наблюдаются у C. elegans, Сю и его коллеги планируют глубже изучить генетические механизмы и нейробиологию, лежащие в основе этих ощущений.
«Это открывает целую новую область для изучения слухового ощущения и механосенсорного восприятия в целом, — сказал он. — С этим новым дополнением в виде слухового ощущения мы теперь полностью установили, что все основные чувства присутствуют у C. elegans, что делает их исключительной модельной системой для изучения сенсорной биологии».