Oba owady i skorupiaki posiadają struktury mózgu w kształcie grzybów, o których wiadomo, że są wymagane u owadów do uczenia się, zapamiętywania i prawdopodobnie negocjowania złożonych, trójwymiarowych środowisk, zgodnie z badaniami prowadzonymi przez neurobiologa Nicholasa Strausfelda z Uniwersytetu Arizony.
Badania, opublikowane w otwartym czasopiśmie eLife, podważają powszechnie panujące w społeczności naukowej przekonanie, że te struktury mózgowe — zwane „ciałami grzybowymi” — są wyraźnie nieobecne w mózgach skorupiaków.
W 2017 roku zespół Strausfelda przedstawił szczegółową analizę ciał grzybowych odkrytych w mózgu krewetki Squilla mantis. W obecnej pracy grupa dostarcza dowodów na to, że cechy neuro-anatomiczne, które definiują ciała grzybów — w pewnym momencie uważane za cechę ewolucyjną zastrzeżoną dla owadów — są obecne u skorupiaków, grupy obejmującej ponad 50 000 gatunków.
Wiadome jest, że skorupiaki i owady pochodzą od wspólnego przodka, który żył około pół miliarda lat temu i dawno już wyginął.
„Ciało grzybka jest niewiarygodnie starożytną, fundamentalną strukturą mózgu”, powiedział Strausfeld, Regents Professor of neuroscience i dyrektor University of Arizona’s Center for Insect Science. „Kiedy patrzysz na stawonogi jako grupa, to jest wszędzie.”
Oprócz owadów i skorupiaków, inne stawonogi obejmują pajęczaki, takie jak skorpiony i pająki, i mięczaki, takie jak stonogi i stonogi.
Charakteryzowane przez ich zewnętrzne szkielety i połączone wyrostki, stawonogi tworzą najbardziej bogatą w gatunki grupę znanych zwierząt, zaludniając prawie wszystkie możliwe siedliska. Około 480 milionów lat temu, drzewo genealogiczne stawonogów podzieliło się, z jedną linią produkującą pajęczaki i drugą – żuchwowce. Druga grupa rozdzieliła się ponownie, by stworzyć linię prowadzącą do współczesnych skorupiaków, w tym krewetek i homarów, oraz stworzeń sześcionożnych, w tym owadów – najbardziej zróżnicowanej grupy stawonogów żyjących obecnie.
Dziesiątki lat badań rozplątały ewolucyjne związki stawonogów przy użyciu danych morfologicznych, molekularnych i genetycznych, a także dowodów ze struktury ich mózgów.
Ciała grzybów w mózgu okazały się centralnymi jednostkami przetwarzania, w których zbiegają się dane sensoryczne. Wizja, zapach, smak i dotyk są tu zintegrowane, jak wykazały badania nad pszczołami miodnymi. Ułożone parami, każde ciało grzyba składa się z części przypominającej kolumnę, zwanej płatem, przykrytej kopulastą strukturą, zwaną kielichem, w której zbiegają się neurony przekazujące informacje wysyłane z narządów zmysłów zwierzęcia. Informacje te są przekazywane do neuronów, które zaopatrują tysiące krzyżujących się włókien nerwowych w płatach, które są niezbędne do obliczania i przechowywania wspomnień.
Ostatnie badania innych naukowców wykazały również, że obwody te współdziałają z innymi ośrodkami mózgu we wzmacnianiu lub zmniejszaniu znaczenia wspomnień, ponieważ zwierzę gromadzi doświadczenia ze swojego środowiska.
„Ciała grzybów zawierają sieci, w których powstają interesujące skojarzenia, które dają początek pamięci” – powiedział Strausfeld. „
Więcej ewolucyjnie „nowoczesna” grupa skorupiaków zwana Reptantia, która obejmuje wiele homarów i krabów, rzeczywiście wydaje się mieć centra mózgowe, które wcale nie wyglądają jak ciało grzybowe owada. To, autorzy sugerują, pomogło stworzyć błędne przekonanie, że skorupiakom brakuje tych struktur.
Analiza mózgu skorupiaków ujawniła, że podczas gdy ciała grzybów znalezione w skorupiakach wydają się bardziej zróżnicowane niż te u owadów, ich definiujące elementy neuroanatomiczne i molekularne są tam wszystkie.
Używając próbek mózgu skorupiaków, badacze zastosowali znakowane przeciwciała, które działają jak sondy, naprowadzając się na i podkreślając białka, które okazały się kluczowe dla uczenia się i pamięci u muszek owocowych. Czułe techniki barwienia tkanek umożliwiły wizualizację skomplikowanej architektury ciał grzybów.
„Wiemy o kilku białkach, które są niezbędne do ustanowienia uczenia się i pamięci u muszek owocowych” – powiedział Strausfeld – „a jeśli użyjemy przeciwciał, które wykrywają te białka u różnych gatunków owadów, ciała grzybów zaświecą się za każdym razem.”
Użycie tej metody ujawniło, że te same białka nie są unikalne dla owadów; pojawiają się one w mózgach innych stawonogów, w tym stonóg, stonóg i niektórych pajęczaków. Nawet kręgowce, w tym ludzie, mają je w strukturze mózgu zwanej hipokampem, znanym centrum pamięci i uczenia się.
„Odpowiednie centra mózgu — ciało grzyba u stawonogów, robaków morskich, płazińców i, prawdopodobnie, hipokamp u kręgowców — wydają się mieć bardzo starożytne pochodzenie w ewolucji życia zwierzęcego,” powiedział Strausfeld.
Dlaczego więc najczęściej badane skorupiaki mają ciała grzybów, które mogą wydawać się tak drastycznie różne od ich owadzich odpowiedników? Strausfeld i jego współautorzy mają pewną teorię: Gatunki skorupiaków, które zamieszkują środowiska wymagające wiedzy o skomplikowanych, trójwymiarowych obszarach, to właśnie te, których ciała grzybów najbardziej przypominają te u owadów – grupy, która również opanowała trójwymiarowy świat dzięki ewolucji w kierunku latania.
„Nie sądzimy, że to przypadek” – mówi Strausfeld. „Proponujemy, że złożoność zamieszkiwania trójwymiarowego świata może wymagać specjalnych sieci neuronowych, które pozwalają na wyrafinowany poziom poznania w negocjowaniu tej przestrzeni w trzech wymiarach.”
Lobstery i kraby, z drugiej strony, spędzają swoje życie ograniczone głównie do dna morskiego, co może wyjaśniać, dlaczego historycznie mówi się, że nie mają ciał grzybów.
„Ryzykując urażenie kolegów, którzy są stronnikami krabów i homarów: Postrzegam wiele z nich jako mieszkańców płaskiego świata” – mówi Strausfeld. „Przyszłe badania będą w stanie powiedzieć nam, które z nich są mądrzejsze: zamieszkująca rafę krewetka modliszka, główny drapieżnik, czy samotny homar.”
Strausfeld jest współautorem pracy wraz z dwoma swoimi byłymi studentami – Gabrielą Wolff, obecnie doktorantką na Uniwersytecie w Waszyngtonie, oraz Marcelem Sayre, obecnie doktorantem na Uniwersytecie Lund w Szwecji. Mają oni nadzieję, że badanie ciał grzybów pomoże w rozwiązaniu problemu, w jaki sposób mózgi mogły ewoluować i jakie warunki środowiskowe ukształtowały ten proces.
„To badanie przybliża nas do odpowiedzi na ostateczne pytanie” – mówi Strausfeld. „Chcemy wiedzieć: Jak wyglądał najwcześniejszy mózg?”
.