Тело морского ежа ведёт себя как мозг — учёные удивились масштабу скрытых нейронов

Анализ ядер показал сложность нервной системы морского ежа — Stazione Zoologica

Морские ежи кажутся простыми существами, но детальный анализ их клеточного состава раскрывает удивлённо сложную организацию. Новый атлас клеток показывает, что тело молодого ежа устроено как распределённая нейронная сеть, охватывающая поверхность и внутренние структуры. Такая модель переворачивает старые представления о том, что можно считать мозгом, и проливает свет на раннюю эволюцию нервных систем. Об этом сообщает группа исследователей под руководством биолога развития Периклиса Паганоса из Stazione Zoologica Антон Дорн.

Тело как сеть: невидимый мозг морского ежа

Традиционно нервную систему морских ежей считали почти примитивной: кольцо нервов и отдельные сигнальные узлы. Однако результаты транскриптомного анализа одного ядра (SNT), выполненного на молодых Paracentrotus lividus, опровергли эту картину.

Было секвенировано около 25 тысяч ядер, сгруппированных в 48 молекулярных кластеров, которые формируют восемь основных семейств тканей — от мышечной системы до водяной сосудистой. Неожиданным стало то, что две трети кластеров оказались нейронными, указывая на крайне насыщенную и распределённую нервную архитектуру.

Такой уровень организации интересным образом перекликается с тем, что известно о появлении сложных клеточных систем у древних эукариот: исследования об устойчивых линиях ранних эукариотических организмов показывают, как долго сохраняются базовые молекулярные схемы, участвующие в построении различных тканей. Эти механизмы отражены, например, в данных об эволюционном происхождении клеточных структур, представленных в исследовании древних эукариотических родословных.

Метаморфоз: два разных тела из одного генома

Жизненный цикл морского ежа включает резкую перестройку. Личинка плавает, питается взвешенными частицами и имеет двустороннюю симметрию. После метаморфоза она превращается в донного ювенильного ежа с пентарадиальной конфигурацией.

Ранее изученные генные регуляторные сети (GRN) показывают, что многие ключевые программы развития повторно используются на новом этапе, но в обновлённой комбинации. Атлас демонстрирует, что один и тот же геном способен синхронно поддерживать две принципиально разные морфологические модели — плавающую личинку и донного подростка.

Некоторые пищеварительные зоны продолжают использовать прежние "личиночные" регуляторы, в то время как другие участки кишечника формируются буквально заново, чтобы обеспечить переход к другой диете и образу жизни.

Нервная система: 29 семейств нейронов

Самым интригующим стало разнообразие нейронов. Исследователи выявили 29 семейств, использующих весь спектр медиаторов — от серотонина до ГАМК и гистамина.

Многие кластеры включали сложные наборы нейропептидов, указывая на многослойную регуляцию сигналов. Некоторые нейроны одновременно применяют разные медиаторы, что предполагает высокоточную настройку ответов.

"Это коренным образом меняет то, как мы думаем об эволюции сложной нервной системы", — сказал д-р. Джек Ульрих-Лютер из Музея естественной истории в Берлине, Германия.

Свет без глаз: 15 типов фоторецепторов

Морские ежи не имеют камерных глаз, но их тела покрыты фоторецепторными клетками. Молодые и взрослые особи реагируют на освещение множеством способов: меняют положение иголок, корректируют движение трубчатых ножек, варьируют интенсивность активности.

Атлас выявил 15 типов фоторецепторных нейронов, каждый из которых сочетает собственные опсины и уникальные регуляторные комбинации. Особенно важной оказалась группа клеток возле каждой трубчатой ножки — она использует меланопсин совместно с Go-opsin3.2, формируя локальные сенсорные "модули".

Контекст: почему морские экосистемы так важны

Структура нервной системы морского ежа становится лучше понятна на фоне среды, в которой он живёт. Подводные рельефы и сложные геологические образования формируют условия для распределения беспозвоночных, включая ежей, и влияют на их поведение, питание и защитные механизмы. Исследования океанических ландшафтов помогают понять, как экологические ниши определяют эволюцию таких организмов — это отражено, например, в работах о подводных формах рельефа, подробно описанных в исследовании океанических ландшафтов.

Эта связь с окружающей средой особенно важна для действий, связанных с сенсорными системами: распределённый "мозг" морского ежа адаптируется к множественным сигналам — световым, тактильным и химическим.