Планктон использует UV-сенсоры для обнаружения изменения давления и избегания сноса течением

Исследователи выяснили, как морской планктон реагирует на изменения давления и продвигается в воде с помощью крошечных выростов — ресничек (цилий).

Исследование, представленное в eLife как рецензируемый препринт, было охарактеризовано редакторами как фундаментальная работа. Она отвечает на вопрос, как определенный зоопланктон меняет направление движения в ответ на давление — явление, известное как баротаксис.

Авторы предоставляют убедительные доказательства того, что баротаксис включает UV-световые сенсоры внутри клеток. Они взаимодействуют с моторными нейронами в мозге, чтобы активировать ритмичное биение ресничек. Результаты проливают свет на то, как морской планктон по-разному ощущает и реагирует на противоположные сигналы среды, позволяя ему находить оптимальную среду обитания на глубине около 0–20 м.

Гидростатическое давление увеличивается с глубиной и может предоставлять планктону информацию о ней независимо от доступности света или времени суток. Многие морские организмы способны ощущать и реагировать на давление воды, но используют для этого совершенно разные механизмы.

«У рыб есть заполненные газом плавательные пузыри, которые позволяют им чувствовать давление, а у некоторых видов крабов есть микроскопические волоски, которые, как считается, действуют как детекторы давления», — поясняет ведущий автор Луис Бесарес-Кальдерон, научный сотрудник Института живых систем Университета Эксетера, Великобритания. «Неизвестно, какой из различных механизмов восприятия давления, наблюдаемых у морских обитателей, используют гораздо более мелкие планктонные животные».

Чтобы это выяснить, команда использовала личинок морского червя Platynereis dumerilii, снабженных поясом из крошечных ресничек для плавания. Личинки бьют ресничками, чтобы плавать вверх и вниз между разными глубинами, где в конечном итоге оседают на зарослях морской травы у побережья. Механизм, с помощью которого личинки ориентируются по свету в окружающей среде, хорошо изучен, что делает их идеальной моделью для изучения восприятия давления воды.

Для наблюдения за реакцией личинок планктона на давление команда создала специальную водную камеру, где можно было точно контролировать давление. Они обнаружили, что личинки реагируют на повышенное давление, плывя вверх быстрее и по более прямой траектории.

Более высокие уровни давления заставляли личинок подниматься выше в камере и увеличивать прямолинейность плавания. Более того, увеличение восходящего плавания было напрямую связано со степенью повышения давления, что позволяет предположить, что личинки обнаруживают изменения давления воды, а не его конкретный уровень.

Чтобы понять механизм этого изменения поведения при плавании, команда изучила влияние давления на частоту биения ресничек. Они обнаружили, что средняя частота биения увеличивалась сразу после приложения большего давления — это говорит о том, что личинки реагируют на повышенное давление, используя реснички для движения вверх.

Но как они ощущают это изменение давления? Чтобы идентифицировать клетки, чувствительные к давлению, команда использовала визуализацию и флуоресцентный маркер для наблюдения за нервной активностью под микроскопом. Это выявило группу из четырех клеток в середине мозга, у которых усиливалась нервная активность при повышении давления. Эти клетки были похожи по форме, количеству, размеру и положению на ранее идентифицированные «фоторецепторные» клетки, которые помогают планктону реагировать на свет.

«Это привело нас к неожиданному открытию: световые рецепторы в ресничках, которые, как ранее было показано, чувствительны как к UV, так и к зеленому свету, также активируются давлением», — говорит Бесарес-Кальдерон. «Это предполагает, что один тип клеток может интегрировать сигналы от света и давления, где UV-свет заставляет планктон плыть вниз, подальше от света, а повышенное давление заставляет его плыть вверх».

Команда попыталась подтвердить это, удалив в фоторецепторных клетках важный ген под названием опсин. Как и ожидалось, личинки без опсина гораздо слабее реагировали на сигналы давления и имели дефекты сенсорных ресничек.

Оставался вопрос: как фоторецепторные клетки преобразуют сигналы давления в физическое движение ресничек? Благодаря существующей карте связей мозга личинок планктона они обнаружили возможную связь с серотониновой сигнальной системой мозга. Когда они блокировали эту сигнализацию, реакция на давление ослабевала, что показало: серотониновая сигнальная сеть связывает датчики давления планктона с его физической двигательной реакцией.

«Наша работа дает представление о механизмах восприятия давления и реакции на него у личинки морского планктона», — заключает старший автор Гаспар Йекели, профессор молекулярной биологии организмов Центра исследований организмов Гейдельбергского университета.

«Она предполагает, что повышение давления — либо из-за собственных действий личинки (погружения), либо из-за нисходящих течений — активирует сенсорные фоторецепторные клетки. Это заставляет реснички биться быстрее, причем пропорционально величине давления.

Наши результаты показывают, что планктон получает внешние световые и баросигналы через одну сенсорную клетку. Затем эти сигналы расходятся в мозге, чтобы запустить различные модели плавательного поведения, которые направляют планктон обратно в оптимальное положение в толще воды».