Всё тело кальмара может функционировать как одно гигантское ухо

Фото из открытых источников

У кальмаров по всему телу расположены сенсорные волосковые клетки, которые обнаруживают движение воды, что демонстрирует удивительное сходство с тем, как человеческое ухо воспринимает звук. Результаты исследования опубликованы в журнале Current Biology.

Новое исследование показало, что всё тело кальмара может функционировать подобно уху. Учёные обнаружили сенсорные клетки, покрывающие всю поверхность тела животного и настроенные на восприятие движения воды.

Поскольку эти клетки похожи на те, которые позволяют человеку слышать, это открытие может пролить свет на то, как работает слух и почему он дает сбои.

Исследование возглавил Брайан Макдермотт из Медицинской школы Университета Кейс Вестерн Резерв. 

Учёным уже много лет известно, что у кальмаров на голове и щупальцах есть волосковые клетки. Эти клетки содержат пучки крошечных, похожих на волоски отростков. Но никто не знал, что находится в остальной части тела. Как кальмар ощущает движение воды вдоль своей мантии, основного тела? 

«Кальмары — головоногие моллюски с разнообразной популяцией волосковых клеток на поверхности тела, что может дать представление не только о том, как эти удивительные животные обнаруживают движение воды для выживания, но и о том, как у людей возникают проблемы со слухом и глухотой», — сказал Макдермотт.

Исследовательская группа изучала длинноперого кальмара Doryteuthis pealeii. Они выбрали его потому, что его геном секвенирован, и он генетически доступен для изучения. Они работали со свободно плавающими детенышами кальмаров, называемыми параличинами.

Исследователи создали первую карту боковых линий тела кальмара — рядов или полей волосковых клеток вдоль кожи. У рыб также есть боковые линии, идущие вдоль головы и тела. У кальмаров они были подробно описаны только на голове и щупальцах.

На новой карте изображено нечто гораздо более сложное. Волосяные пучки покрывают всё животное. В одних местах они образуют плотные линии, в других — широкие поля. Мантия состоит из четырех отчетливых частей: воротника, тела, плавников и кончика в задней части. Даже сифон, трубчатый кальмар, используемый для передвижения в воде, содержит пучки волосков.

Однако некоторые участки — например, область перед сифоном — остаются практически без покрытия. Исследователи предполагают, что это может предотвратить перегрузку датчиков, когда кальмар совершает резкий рывок.

Ученые обнаружили клетки с помощью световой микроскопии: лазер формирует тонкий слой света, освещающий поочередно одну плоскость образца. Это позволило им создавать подробные 3D-изображения, минимизируя при этом повреждение тканей.

У человека звуковые колебания передаются в улитку. Этот орган, имеющий форму улитки и расположенный во внутреннем ухе, выстлан тысячами волосковых клеток, каждая из которых несет пучок крошечных отростков, называемых стереоцилиями.

Эти пучки выше в местах обнаружения низких частот и ниже в местах обнаружения высоких частот. Это помогает настроить каждую клетку на определенную частоту звука. Вибрации приводят проекции в движение. Волосковые клетки соединяются с нервной системой и передают сигналы в мозг. Там сигналы превращаются в осмысленные звуки.

У морских существ на теле есть похожие пучки. Их выживание, по-видимому, зависит от способности ощущать различные виды движения воды. Это работает примерно так же, как наши уши различают высоту звука. Исследователи пришли к выводу, что кожа кальмара действует немного подобно человеческому уху.

В этом и заключается отличие кальмаров. Боковые линии рыб имеют пучки волосков, длина которых не меняется. Похоже, что кальмары регулируют длину пучков волосковых клеток, чтобы настраивать их на разные частоты, подобно человеческому уху. Измерения это подтверждают. 

Пучки волос на воротнике мантии имели очень короткие выступы, в среднем около 2,8 микрометров в длину. Пучки на голове были примерно в пять раз длиннее, составляя 14 микрометров. Воротник расположен на краю мантии, куда поступает вода во время дыхания. 

Исследователи считают, что более короткие пучки могут подойти для более быстрого потока, в то время как для более медленного движения над головой и руками могут потребоваться более длинные пучки.

Команда также отследила места соединения этих клеток. Нервные волокна от волосковых клеток мантии идут к звездчатому ганглию — скоплению нервных клеток, которое контролирует мышцы мантии. Сигналы распространяются по гигантским аксонным путям, которые быстро передают сообщения.

Исследователи также подтвердили, что это действительно пучки сенсорных волосков. Молодые кальмары покрыты недолговечными ресничками, которые отпадают в течение одного-двух дней после вылупления. Хотя эти реснички не выполняют никаких сенсорных функций, пучки волосков сохраняются и во взрослом возрасте.

Всё это делает кальмара многообещающей моделью для изучения человеческого слуха. Клетки, обеспечивающие нам слух, хрупкие, и проблемы часто начинаются именно в их пучках.

«Часто, когда ребенок рождается глухим или слышащий человек теряет слух, повреждается именно пучок волос», — сказал Макдермотт. «Таким образом, изучение пучка волосков кальмара открывает перспективы для понимания механизмов потери слуха».