Простые нервные клетки регулируют глубину плавания морского планктона

Личинки морского многощетинкового червя Platynereis свободно плавают в толще воды. Они движутся благодаря активности ресничек — тысяч крошечных волоскоподобных структур, образующих пояс вдоль тела личинки и бьющихся согласованно. При изменении условий окружающей среды личинки перемещаются вверх или вниз к подходящей для них глубине. Учёные из Института биологии развития Макса Планка (Тюбинген, Германия) идентифицировали несколько сигнальных веществ в нервной системе личинок, регулирующих глубину их плавания. Эти вещества влияют на биение ресничек и таким образом удерживают личинки на предпочитаемой глубине. Учёные обнаружили очень простую схему нервных клеток, лежащую в основе этой регуляции, что отражает раннее эволюционное состояние нервной системы.

Древний тип движения

Многие животные используют для движения мышцы. Однако мелкие морские организмы часто передвигаются с помощью ресничек. Этот тип локомоции эволюционно более древний, чем мышечный, и очень распространён среди морского планктона. Помимо личинок многощетинковых червей, в этот планктон входят личинки многих морских беспозвоночных, например, улиток, двустворчатых моллюсков и морских звёзд.

Исследование нервной системы Platynereis

«О том, как нервные системы морского планктона регулируют биение ресничек, известно немного, поскольку локомоция интенсивно изучаемых модельных организмов, таких как плодовая мушка, основана на мышцах», — говорит Гаспар Екели. Вместе со своей командой и в сотрудничестве с Томасом Мюнхом из Центра интегративной нейронауки в Тюбингене он детально изучил нервную систему личинок Platynereis dumerilii.

Ресничный пояс личинок служит двигателем: когда реснички бьются быстро и непрерывно, личинки плывут вверх, а когда прекращают — тонут. Личинки чувствуют различные условия среды (например, изменения температуры, света и наличия пищи) и соответственно меняют своё положение в толще воды.

Простая схема регуляции

Чтобы понять регуляцию этого поведения, учёные проанализировали гены Platynereis. В своих базах данных они обнаружили несколько нейрональных сигнальных веществ — нейропептидов. Более того, выяснилось, что эти нейропептиды производятся в отдельных сенсорных нервных клетках личинки и выделяются непосредственно у ресничного пояса. Это означает, что эти нервные клетки передают сенсорную информацию прямо на реснички. Одни из этих нейропептидов влияют на частоту биения ресничек, другие — также на частоту их остановок. С помощью нейропептидов учёные смогли контролировать вертикальное движение свободно плавающих личинок и целенаправленно менять их глубину.

«Мы обнаружили, что ответственные нервные цепи построены необычайно просто. Сенсорные нервные клетки одновременно обладают моторной функцией, то есть они посылают двигательный импульс прямо на ресничный пояс», — говорит Маркус Концельманн, первый автор исследования. Такие простые схемы неизвестны для регуляции мышечной локомоции. «Мы были удивлены, обнаружив в составе такой простой цепи не один нейропептид, а одиннадцать различных».

Значение открытия

По мнению учёных, это открытие даёт представление о форме и функции нервных систем на ранней стадии эволюции. Кроме того, результаты могут быть интересны для других областей морской биологии: «Теперь у нас есть подходящая модель для дальнейшего изучения регуляции глубины плавания у морского планктона. Поскольку плавательное поведение планктона критически важно для выживания и распространения тысяч видов морских животных, наши результаты могут иметь значение для морской экологии», — объясняет Гаспар Екели. В будущих исследованиях он планирует выяснить, как отдельные нервные клетки обрабатывают различную сенсорную информацию о давлении, температуре или солёности воды.