Международная группа исследователей, в которую входит один из самых известных исследователей проблематики возникновения нервной системы, Леонид Мороз, изучила поведение простейших многоклеточных животных без нервной системы и влияние на него веществ, которые позже стали нейромедиаторами. Изучение «танца» представителя типа пластинчатых, Trichoplax adhaerens, и влияние на него некоторых веществ было опубликовано в журнале Frontiers in Neuroscience. Мы попросили первого автора этой статьи, Михаила Никитина, прокомментировать свое исследование, а комментарий разросся в полноценную нейроновость. Так что передаем слово автору.
Одним из важнейших эволюционных прорывов животных стало возникновение нервной системы. Но как это произошло и что предшествовало нервной системе, никто не знает. Прояснить этот вопрос может изучение двух типов животных, не имеющих нервной системы — губок и пластинчатых. Причем пластинчатые, наиболее известен из которых вид Trichoplax adhaerens, более интересны, так как это подвижные животные, у которых есть поведение, тогда как губки сидят на одном месте и просто фильтруют воду.
Trichoplax adhaerens — одно из самых скромных и невзрачных животных в мире. Невооруженным глазом он выглядит как серое пятнышко грязи на стекле морских аквариумов. Под микроскопом видно, что это плоская пластинка из трех слоев клеток, до 1-2 миллиметров в ширину и до 20-30 микрон в толщину. У него нет ни симметрии, ни постоянной формы, ни переда и зада, ни рта, ни желудка, ни мышц, ни нейронов. Trichoplax медленно ползает на ресничках, меняя форму подобно амебе, и переваривает пленки бактерий и водорослей всей своей нижней стороной. Trichoplax очень нетороплив — скорость полмиллиметра в минуту для него — это очень быстро. Он никогда не спит, а всегда либо ест, либо ищет еду.
Видео движения трихоплакса. Ускорено в 600 раз.
По одной из хорошо обоснованных гипотез, нервной системе в эволюции могла предшествовать «система объемной передачи» — разбросанные по телу первых животных железистые клетки без отростков и синапсов, которые выделяли сигнальные вещества и тем самым координировали физиологические процессы. Сигнальные вещества этой системы позже стали нейротрансмиттерами и гормонами.
Эта гипотеза предсказывает, во-первых, что системы синтеза и рецепторы к нейротрансмиттерам старше нервной системы, а во-вторых, что физиологическая роль будущих нейротрансмиттеров у до-нервных животных будет сходна с их ролями у животных с развитой нервной системой. Изучение генома Trichoplax подтверждает первое предсказание — у него уже есть рецепторы к глутамату, ГАМК, АТФ и ряду пептидных трансмиттеров.
К примеру, мною in silico было предсказано существование пептидных трансмиттеров этого организма, что затем получило подтверждение; помимо этого нашим коллегам удалось обнаружить опиоидный пептид Trichoplax и провести поведенческие эксперименты с ним.
Чтобы проверить второе предсказание, мы решили поставить поведенческие эксперименты, чтобы найти и описать реакции Trichoplax на эти вещества — глутамат, ГАМК, АТФ и еще на глицин. Вскоре мы столкнулись с тем, что нигде в литературе нет подробного количественного описания нормального поведения Trichoplax, помимо питания. А как изучать реакции на вещества, если неизвестно нормальное поведение?
Поэтому нам пришлось начать со съемок нормального поведения, и тут же обнаружились сюрпризы. Например, Trichoplax при ползании оставляет слизистый след, и эти следы влияют на его поведение. На чашке, где несколько часов ползали его сородичи, Trichoplax ползает в несколько раз быстрее, чем на чистой — и это важно, так как в эксперименте ученые стараются использовать чистую посуду, а в реальных морях все твердые поверхности покрыты чьими-то слизями. Получается, что опыты с Trichoplax на чистой чашке не отражают их природное поведение.
Предыдущие исследования, сделанные еще до эпохи цифровой видеосъемки, делали вывод, что траектория движения трихоплакса похожа на Броуновское движение, то есть полностью хаотическая, без ритмов. Наш анализ видеосъемок поведения показал, что в движении трихоплакса чередуются периоды ползания по прямой (или плавной дуге) с периодами топтания на месте. Они чередуются каждые 6-10 минут (см. видео выше — оно ускорено в 600 раз). Это немного напоминает движения танцоров в венском вальсе.
В опытах с аминокислотами мы быстро обнаружили, что глутамат действует на Trichoplax как пищевой сигнал. При добавлении глутамата они останавливаются и пытаются есть даже на чистом стекле. Глицин и ГАМК, напротив, подавляют его аппетит даже на вкусных водорослях.
Кроме того, и ГАМК, и глицин побуждают Trichoplax ползать по более извилистому пути, вплоть до кручения на одном месте, что может иметь отношение к поискам пищи по ее запаху. То есть мы видим, что у этого донервного животного глутамат является пищевым сигналом, а ГАМК и глицин действуют противоположно глутамату. У человека одна из функций глутамата – тоже пищевой сигнал (вкус умами), а ГАМК и глицин – основные тормозные нейротрансмиттеры, антагонистичные глутамату – основному возбуждающему трансмиттеру в мозге. Получается, что функции и поведенческие контексты этих нейротрансмиттеров старше нервной системы, как и предсказывает гипотеза объемной передачи.
Мы продолжаем работы по анализу клеточных и молекулярных механизмов, лежащих в основе сигнальных ролей этих аминокислот у Trichoplax. Ранее мы показали микрохимическим анализом, что его клетки накапливают ГАМК и глицин, а в геноме закодированы везикулярные транспортеры для этих аминокислот. То есть они могут быть не только внешними стимулами, но и внутренними сигнальными молекулами системы объемной передачи, координирующей движения этого животного.
Текст: Михаил Никитин
Nikitin, M. A., Romanova, D. Y., Borman, S. I., & Moroz, L. L. (2023). Amino acids integrate behaviors in nerveless placozoans. Frontiers in Neuroscience, 17. https://doi.org/10.3389/fnins.2023.1125624
