Мозги креветок и насекомых оказались более похожими, чем считалось

Новое исследование показывает, что ракообразные, такие как креветки, омары и крабы, имеют больше общего со своими родственниками-насекомыми, чем считалось ранее, — в отношении структуры их мозга.

Как у насекомых, так и у ракообразных есть грибовидные структуры мозга, которые, как известно у насекомых, необходимы для обучения, памяти и, возможно, ориентации в сложных трёхмерных средах. К такому выводу пришло исследование под руководством нейробиолога Николаса Страусфельда из Университета Аризоны.

Исследование, опубликованное в открытом журнале eLife, оспаривает широко распространённое в научном сообществе мнение о том, что эти структуры мозга — так называемые «грибовидные тела» — явно отсутствуют у ракообразных.

В 2017 году команда Страусфельда сообщила о детальном анализе грибовидных тел, обнаруженных в мозге ротоногого рака Squilla mantis. В текущей работе группа предоставляет доказательства того, что нейроанатомические черты, определяющие грибовидные тела — когда-то считавшиеся эволюционной особенностью, присущей только насекомым, — присутствуют у всех ракообразных, группы, включающей более 50 000 видов.

Известно, что ракообразные и насекомые произошли от общего предка, жившего около полумиллиарда лет назад и давно вымершего.

«Грибовидное тело — невероятно древняя, фундаментальная структура мозга, — сказал Страусфельд. — Когда вы смотрите на членистоногих как на группу, она есть везде».

Помимо насекомых и ракообразных, к членистоногим относятся паукообразные (скорпионы и пауки) и многоножки (кивсяки и губоногие).

Характеризуясь внешним скелетом и членистыми конечностями, членистоногие составляют самую богатую видами группу животных, населяя почти все мыслимые среды обитания. Около 480 миллионов лет назад генеалогическое древо членистоногих разделилось: одна линия дала паукообразных, а другая — мандибулят. Вторая группа снова разделилась, образовав линию, ведущую к современным ракообразным (включая креветок и омаров) и шестиногим существам, включая насекомых — самую разнообразную группу членистоногих, живущих сегодня.

Десятилетия исследований распутали эволюционные отношения членистоногих, используя морфологические, молекулярные и генетические данные, а также свидетельства структуры их мозга.

Было показано, что грибовидные тела в мозге являются центральными процессорами, где сходится сенсорная информация. Как показали исследования на медоносных пчёлах, здесь интегрируются зрение, обоняние, вкус и осязание. Расположенные парами, каждое грибовидное тело состоит из столбчатой части, называемой долей, увенчанной куполообразной структурой, называемой чашечкой, где сходятся нейроны, передающие информацию от органов чувств животного. Эта информация передаётся нейронам, которые снабжают тысячи пересекающихся нервных волокон в долях, необходимых для вычислений и хранения воспоминаний.

Недавние исследования других учёных также показали, что эти цепи взаимодействуют с другими центрами мозга, усиливая или уменьшая важность воспоминания по мере того, как животное накапливает опыт из окружающей среды.

«Грибовидные тела содержат сети, где создаются интересные ассоциации, порождающие память, — говорит Страусфельд. — Так животное осмысливает свою среду».

Более эволюционно «современная» группа ракообразных, называемая Reptantia, которая включает многих омаров и крабов, действительно, по-видимому, имеет мозговые центры, которые совсем не похожи на грибовидные тела насекомых. Это, по мнению авторов, способствовало созданию заблуждения, что у ракообразных их вообще нет.

Анализ мозга ракообразных показал, что хотя грибовидные тела, обнаруженные у них, кажутся более разнообразными, чем у насекомых, их определяющие нейроанатомические и молекулярные элементы присутствуют.

Используя образцы мозга ракообразных, исследователи применили меченые антитела, которые действуют как зонды, нацеливаясь и выделяя белки, которые, как было показано, необходимы для обучения и памяти у плодовых мушек. Чувствительные методы окрашивания тканей дополнительно позволили визуализировать сложную архитектуру грибовидных тел.

«Мы знаем несколько белков, необходимых для формирования обучения и памяти у плодовых мушек, — сказал Страусфельд, — и если вы используете антитела, обнаруживающие эти белки у разных видов насекомых, грибовидные тела загораются каждый раз».

Использование этого метода показало, что те же белки не уникальны для насекомых; они появляются в мозгах других членистоногих, включая многоножек и некоторых паукообразных. Даже у позвоночных, включая людей, они есть в структуре мозга, называемой гиппокампом, известном центре памяти и обучения.

«Соответствующие мозговые центры — грибовидное тело у членистоногих, морских червей, плоских червей и, возможно, гиппокамп позвоночных — по-видимому, имеют очень древнее происхождение в эволюции животной жизни», — говорит Страусфельд.

Почему же у наиболее часто изучаемых ракообразных грибовидные тела могут выглядеть настолько иначе, чем у насекомых? У Страусфельда и его соавторов есть теория: виды ракообразных, обитающие в средах, требующих знания сложных трёхмерных пространств, — это именно те, чьи грибовидные тела больше всего напоминают таковые у насекомых, группы, которая также освоила трёхмерный мир, эволюционировав для полёта.

«Мы не думаем, что это совпадение, — говорит Страусфельд. — Мы предполагаем, что сложность обитания в трёхмерном мире может требовать особых нейронных сетей, которые позволяют осуществлять сложный уровень познания для ориентации в этом пространстве в трёх измерениях».

Омары и крабы, с другой стороны, проводят свою жизнь в основном на морском дне, что может объяснить, почему исторически считалось, что у них нет грибовидных тел.

«Рискуя оскорбить коллег, которые неравнодушны к крабам и омарам: я рассматриваю многих из них как обитателей плоского мира, — говорит Страусфельд. — Будущие исследования смогут сказать нам, кто умнее: обитающий на рифе ротоногий рак, главный хищник, или скрытный омар».

Страусфельд стал соавтором статьи со своими двумя бывшими студентами — Габриэллой Вольф, ныне постдокторантом в Вашингтонском университете, и Марселем Сэйром, ныне докторантом Лундского университета в Швеции. Они надеются, что изучение грибовидных тел поможет в дальнейшем понять, как мог эволюционировать мозг и какие условия окружающей среды формировали этот процесс.

«Это исследование приближает нас к ответу на главный вопрос, — говорит Страусфельд. — Мы хотим знать: каким был самый ранний мозг?»