科学家揭示章鱼和鱿鱼的适应性进化

2项新的研究通过追踪共同祖先神经元的谱系描述了章鱼和鱿鱼不同感知能力的路径。

章鱼和乌贼等头足类动物从蛞蝓和蜗牛等软体动物进化而来。这些动物的触腕中有复杂紧凑的神经系统,可以执行令人惊讶的多种行为。那么这些动物是如何从有壳的软体动物进化成行为复杂生物的？在《自然》(Nature)杂志上发表的2项独立研究中,来自哈佛大学BELLONO实验室和加州大学圣地亚哥分校YAN HIBBS实验室的研究人员发现了一些线索,重点关注头足类动物的神经系统如何适应海洋环境。他们描述了这些动物如何利用腕上的一个化学触觉受体进行家族进化,并从中一窥这种功能变化如何在进化过程中适应环境。

在第一篇论文中,研究人员描述了章鱼如何重新利用祖先的神经递质受体来感知外部环境。他们发现章鱼的化学触觉受体是由乙酰胆碱神经递质受体进化而来的,这与人类的神经肌肉连接处的受体相同。然而,章鱼的受体并没有传感神经递质,而是具有重要的适应性,可以感知附着在表面的相对不溶性的油腻分子。分子和细胞生物学系副教授NICHOLAS BELLONO表示,他们用腕通过触摸来“品尝”,依赖触觉对海底裂缝进行水下探索。研究小组确定了章鱼化学触觉受体的三维结构,并将其与乙酰胆碱受体进行了比较,以研究它如何从其祖先在神经传递中的作用转变过来。这2个受体的整体结构看起来很相似。在谈到又大又粘的表面时,BELLONO表示,章鱼受体的结合部位,虽然与祖先的神经递质附着在一个相似的地方,但却非常不同,其受到进化选择的压力。这解释了像章鱼这样的动物如何通过微妙地改变部分蛋白来创造新的受体和行为功能,从神经传递转变为环境化学感觉,比如嗅觉或味觉。

与他们的近亲章鱼相比,鱿鱼是伏击捕食者,用8条触腕和2条长长的触腕穗来捕捉毫无防备的猎物。他们不是用腕探测物体表面,而是抓住猎物,把它卷进去捕食。 在第二篇论文中,研究人员发现鱿鱼的化学感受器更类似于人类的味觉。鱿鱼的感受器已经适应了感知苦味分子。如果鱿鱼感觉到了苦味,它可能会认为这是有毒的或不受欢迎的,并会释放它的猎物。研究小组再一次发现人类神经递质受体和鱿鱼受体之间的主要区别在于结合部位。BELLONO表示,在这种情况下,鱿鱼受体比章鱼少,他们看起来更像神经递质结合部位,可以结合更多的亲水分子。章鱼和鱿鱼之间的这种差异反映了进化时间表和适应性,这里看到了从乙酰胆碱受体的神经传递到鱿鱼的可溶性苦味,再到章鱼不溶性分子的接触味觉的最新发现。

2020年,BELLONO团队首次报道了章鱼通过腕上的化学反应受体来探索环境。综合而言,这2篇新论文为理解微妙的结构适应如何驱动适合动物特定生态环境的新行为提供了基础,如头足类受体的结构适应。头足类动物是研究进化的绝佳模型。这些研究提供了一个很好的和意想不到的例子,说明如何利用这些生物来研究从分子到个体水平的生物进化和创新。