Prenez une leçon sur l’adaptation évolutive des poulpes et des calmars

Les céphalopodes tels que les poulpes et les calmars ont divergé évolutivement des mollusques tels que les limaces et les escargots. Ces animaux ont des systèmes nerveux intégrés élaborés situés dans des appendices spécialisés des bras, qui peuvent effectuer une gamme étonnamment diversifiée de comportements.

Alors, comment ces animaux ont-ils évolué neurologiquement d’un mollusque à coquille à une créature comportementale évoluée ?

Dans deux études distinctes publiées dans natureMaintenant, des chercheurs du Belluno Lab au Harvard Lab et de Ryan Hibbs à l’UC San Diego ont découvert quelques indices, en se concentrant sur la façon dont les neurones céphalopodes s’adaptent à la détection de leurs environnements marins. Ils décrivent comment les animaux ont évolué en utilisant une famille de chimiorécepteurs dans leurs bras et donnent un aperçu de la façon dont ces changements fonctionnels se sont probablement produits en tant qu’adaptations à l’environnement au cours d’une évolution profonde.

Dans les premiers articles, les chercheurs décrivent comment la pieuvre redirige les récepteurs ancestraux des neurotransmetteurs pour détecter son environnement externe. Ils ont découvert que les chimiorécepteurs de la pieuvre évoluaient à partir des récepteurs du neurotransmetteur acétylcholine, le même type que les humains ont à notre jonction neuromusculaire. Au lieu de détecter les neurotransmetteurs, les récepteurs de la pieuvre ont des adaptations importantes pour détecter des molécules lipidiques relativement insolubles qui adhèrent aux surfaces.

Ils utilisent leurs bras pour l’exploration aquatique, basée sur le contact, des fissures dans le fond marin « au toucher » », a déclaré le chercheur principal Nicholas Belluno, professeur adjoint au Département de biologie moléculaire et cellulaire.

L’équipe a déterminé la structure tridimensionnelle du chimiorécepteur de la pieuvre et l’a comparée aux récepteurs de l’acétylcholine pour examiner comment il passe de son rôle ancestral dans la neurotransmission. La structure générale des deux récepteurs se ressemblait.

« Mais la poche associée au récepteur de la pieuvre, bien qu’à un endroit similaire à celui auquel le neurotransmetteur progéniteur adhère, est complètement différente », a déclaré Belluno à propos de la grande surface collante. « Et nous avons découvert que la poche de reliure est soumise à une pression sélective évolutive. »

Cela explique comment un animal comme une pieuvre peut passer d’un neurotransmetteur à une sensibilité chimique environnementale, comme l’odorat ou le goût, en modifiant subtilement une partie d’une protéine pour créer un nouveau récepteur et une nouvelle fonction comportementale.

Contrairement à leurs cousins ​​poulpes, les seiches sont des prédateurs embusqués qui frappent et capturent des proies sans méfiance avec leurs huit bras et leurs longs tentacules. Au lieu d’utiliser leurs avant-bras pour sonder des surfaces, ils attrapent des proies et les tordent pour les manger.

« Dans le deuxième article, nous avons constaté que les chimiorécepteurs de la seiche sont plus similaires à notre sens du goût », a déclaré Belluno. L’équipe a découvert que les récepteurs de la seiche se sont adaptés pour détecter les molécules amères. Si le calmar devient amer, il peut l’interpréter comme toxique ou indésirable et relâchera sa proie. Encore une fois, l’équipe a découvert que la principale différence entre le récepteur du neurotransmetteur humain et le récepteur de la seiche se situait dans la poche de liaison.

« Dans ce cas, il y avait moins de récepteurs qu’il n’y en avait dans la pieuvre, et cela ressemblait plus à une poche de liaison de neurotransmetteurs en ce qu’elle pouvait lier plus de molécules hydrophiles », a déclaré Belluno. « Nous voyons cette différence entre les pieuvres et les seiches comme reflétant la chronologie évolutive et adaptative, alors que nous voyons la transition de la neurotransmission dans les récepteurs de l’acétylcholine au goût amer soluble chez les seiches, à la dernière innovation en matière de détection tactile du goût des molécules insolubles dans les pieuvres. »

En 2020, l’équipe de Belluno a rapporté pour la première fois que les pieuvres utilisent des chimiorécepteurs dans leurs bras pour rechercher et explorer leur environnement. Ensemble, ces deux nouveaux articles fournissent une base pour comprendre comment des adaptations structurelles subtiles, telles que celles des récepteurs des céphalopodes, peuvent entraîner de nouveaux comportements adaptés au contexte environnemental spécifique de l’animal.

« Les céphalopodes sont d’excellents modèles pour l’étude de l’évolution », a déclaré Belluno. « Ces études fournissent un exemple fascinant et inattendu de la façon dont ces créatures peuvent être exploitées pour étudier l’innovation biologique du niveau atomique au niveau organique. »