Hoe proeven de armen van octopussen wat ze vastnemen?

Onderzoekers vragen zich al tientallen jaren af hoe de armen, en meer in het bijzonder de zuignappen, werken en dat heeft geleid tot een aantal experimenten om de biomechanische kant van de zaak te achterhalen, bijvoorbeeld hoe de armen bewegen of hoe de zuignappen zich vasthechten.

Maar heel weinig onderzoekers hebben onderzocht wat er gebeurt op het moleculaire niveau. Vier wetenschappers van de Harvard University hebben dat nu wel gedaan en in een nieuwe studie bieden ze een blik op hoe het zenuwstelsel in de armen van een octopus, die grotendeels onafhankelijk van de centrale hersenen functioneren, te werk gaat.

De onderzoekers identificeerden een nieuwe familie van natuurlijke sensoren in de bovenste laag cellen in de zuignappen, sensoren die zich aangepast hebben om moleculen die niet goed oplossen in water waar te nemen en erop te reageren. Het onderzoek suggereert dat de sensoren, die chemotactiele receptoren genoemd worden, die moleculen gebruiken om het dier te helpen er achter te komen wat het aanraakt en of dat object een prooi is. 

"We denken dat deze moleculen, omdat ze niet goed oplossen, aanwezig kunnen zijn op bijvoorbeeld de prooi van octopussen en op wat ze ook maar aanraken", zei Nicolas Bellono. "En dus als de octopus een rots aanraakt of een krab, dan weet zijn arm dat. 'OK, ik raak nu een krab aan omdat ik weet dat er niet alleen een aanraking is maar ook dit soort van smaak'." Bellono is hoogleraar moleculaire en cellulaire biologie aan Harvard en de senior auteur van de studie. 

Bovendien ontdekten de auteurs dat de receptoren reageerden op verschillende stoffen en dat de signalen die ze dan naar de cel en het zenuwstelsel stuurden ook van elkaar verschilden. 

"We denken dat dit belangrijk is omdat het het makkelijker zou kunnen maken dat de octopus complexe zaken zou kunnen voelen en ook zou kunnen verklaren hoe hij een reeks verschillende signalen kan verwerken met behulp van het semi-autonome zenuwstelsel in zijn arm, om te komen tot complexe gedragingen", zei Bellono.  

Een octopus vangt een krab in zijn aquarium in het laboratorium van Bellono.

Het team probeerde te achterhalen hoe de receptoren in staat zijn chemische stoffen waar te nemen en signalen te vinden in wat ze aanraken, wat de arm helpt keuzes te maken. 

De armen van octopussen zijn bijzonder en complex. Zowat twee derde van de zenuwcellen van een octopus zitten in zijn armen. Omdat de armen gedeeltelijk onafhankelijk van de hersenen functioneren, kan een arm die los is gekomen van het lichaam, zich nog steeds uitstrekken naar voorwerpen, ze identificeren en vastgrijpen. 

Het team begon dit deel van het onderzoek door te identificeren welke cellen in de zuignappen de chemische stoffen daadwerkelijk waarnemen. Nadat ze die chemische en tastreceptoren geïsoleerd en gekloond hadden, brachten ze die in in kikkereieren en menselijke cellen. Aangezien er niets bestaat in menselijke of kikkercellen als deze receptoren, werken de cellen in essentie als gesloten vaten waarin de receptoren bestudeerd kunnen worden. 

De onderzoekers stelden de cellen dan bloot aan moleculen zoals extracten van de prooien van octopussen en andere zaken waarvan ze wisten dat de receptoren erop reageren. Een aantal van die proefstoffen waren oplosbaar in water, zoals zouten, suikers en aminozuren, andere stoffen losten niet goed op en die worden doorgaans niet beschouwd als interessant voor dieren die in het water leven. Tot de verrassing van de onderzoekers reageerden de receptoren enkel op de slecht oplosbare moleculen. 

De onderzoekers keerden vervolgens terug naar de octopussen in hun laboratorium om na te gaan of die ook reageerden op die moleculen. Dat deden ze door die extracten op de bodem van de aquaria aan te brengen. Ze ontdekten dat de enige geurstoffen waarop de receptoren van de octopussen reageerden, een niet-oplosbare klasse waren van organische chemicaliën die bekend staan als terpenoïde of isoprenoïde moleculen, waarvan cholesterol een voorbeeld is.

"De octopus reageerde hevig enkel op het stuk van de bodem waarin de molecule zat", zei Bellono. Daardoor kwamen de onderzoekers tot de conclusie dat de receptoren die ze geïdentificeerd hadden, dit soort van moleculen opvangen en de octopus helpen een onderscheid te maken tussen wat hij aanraakt. "Met het semi-autonoom zenuwstelsel kan hij snel een beslissing nemen 'Trek ik samen en grijp ik deze krab of blijf ik zoeken?'."

Hoewel de studie een moleculaire verklaring geeft voor de tast-smaak-gewaarwording bij octopussen dankzij hun chemotactiele receptoren, zeggen de onderzoekers dat er nog verder onderzoek nodig is. Er is immers nog een groot aantal onbekende natuurlijke bestanddelen die de receptoren ook zouden kunnen stimuleren. 

"We proberen nu te kijken naar andere natuurlijke moleculen die deze dieren zouden kunnen waarnemen", zei Bellono.    

Een octopus in het labo probeert een krab te vangen die in een afgescheiden deel van het aquarium zit.

De onderzoekers denken dat dit onderzoek kan helpen om soortgelijke systemen van receptoren bloot leggen bij andere koppotigen, de ongewervelde familie waartoe onder meer ook de zeekatten en de pijlinktvissen behoren.

Ze hopen vast te stellen hoe deze systemen werken op moleculair niveau en het antwoord te vinden op weinig onderzochte vragen over hoe de vermogens van deze wezens geëvolueerd zijn om zich aan te passen aan hun omgeving. 

"Er is niet veel geweten over marien chemotactiel gedrag en met deze familie van receptoren als een model, kunnen we nu bestuderen welke signalen belangrijk zijn voor het dier en hoe ze gecodeerd kunnen worden", zei Lena van Giesen. "Deze inzichten in de evolutie van eiwitten en het coderen van signalen gaan veel verder dan enkel de koppotigen."

Van Giesen is een postdoctoraal onderzoekster in het Bellono Laboratorium en de belangrijkste auteur van de studie. De andere auteurs zijn Corey Allard, eveneens een postdoctoraal onderzoeker en Peter Kilian, een technicus gespecialiseerd in dieren.

"De strategieën die octopussen ontwikkeld hebben om problemen op te lossen in hun natuurlijk milieu, zijn uniek voor hen en dat wekt veel belangstelling van zowel wetenschappers als niet-wetenschappers", zei Kilian. "Mensen worden aangetrokken tot octopussen en andere koppotigen omdat ze zo enorm veel verschillen van de meeste andere dieren."

De studie van Bellono, Van Giesen, Kilian en Allard is gepubliceerd in Cell. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van Harvard University.