Восьминоги порозумнішали завдяки еволюційному множенню генів, які контролюють розвиток нейронів і формування міжнейронних контактів.
Головоногі молюски взагалі і восьминоги зокрема відомі своїм високим рівнем розвитку, який робиться помітніше при порівнянні їх з їх найближчими родичами: равликами, беззубками тощо. Досить згадати видатні здібності головоногих до маскування, їх очі, схожі будовою людські, і те, як вони управляються з вісьмома щупальцями. Щоб узгоджено рухати такою кількістю кінцівок, потрібно володіти досить розвиненою нервовою системою.
Восьминоги здатні вирішувати експериментальні когнітивні завдання: вони знаходять і запам'ятовують вихід з досить складних лабіринтів і розуміють, що потрібно відкрити банку з їжею, щоб дістати смачного краба - що знову ж вказує на досить високий рівень розвитку інтелекту. Вони навіть можуть співпрацювати з іншими хижаками, коли для того, щоб отримати здобич, потрібні об'єднані зусилля (рік тому ми писали про те, як кам'яні окуні домовляються з восьминогами про спільне полювання).
Очевидно, секрет кмітливості восьминогів криється в генах, але в яких? Відповідь на це дає стаття в Nature, в якій Керолайн Альбертен (Caroline Albertin) з Чиказького університету, Олег Сімаков з Науково-технологічного інституту Окінави і Деніел Рокшар (Daniel Rokhsar) з Каліфорнійського університету в Берклі описують результати повного прочитання генома осьмінога Obtopcimopus. Дослідники не просто прочитали гени, вони ще й проаналізували їх активність у дванадцяти різних тканинах тварини.
Виявилося, що геном у восьминогів надзвичайно великий: у їх ДНК в сумі міститься 2,7 млрд пар підстав (тобто генетичних «букв»), а число генів, які кодують білки, становить 33 000., що в 5-6 разів більше, ніж у інших безхребетних. Більше того, якщо у людини геном за «літерами» все-таки буде більше (3 млрд пар підстав), то за кодуючими генами людина поступається восьминогам - у нас їх, за різними оцінками, від 20 до 25 тис.
Оскільки хромосом у восьминогів теж приблизно в два рази більше, ніж у інших безхребетних, то спочатку вирішили було, що у головоногих в ході еволюції відбулося подвоєння геному - звичайна процедура, що дозволяє привласнювати копіям старих генів нові функції і тим самим освоювати нові екологічні ніші, розвиватися і т. д. Але виявилося, що у восьминогів помножилися не всі гени, а лише ті, які належать до двох певних сімействів: протокадгерінів і транскрипційних факторів зі структурним мотивом цинкового пальця.
Протокадгеріни відіграють важливу роль у розвитку нейронів і міжклітинних взаємодій між нейронами: вони потрібні як для підтримки механічного контакту, так і для передачі сигналів між клітинами. Таких генів у восьминогів виявилося понад півтори сотні, що майже вдвічі більше, ніж у ссавців. Очевидно, що завдяки збільшеному набору протокадгерінів восьминоги отримали можливість помножити і число нервових клітин - їх у них півмільярда, що в кілька разів перевершує загальне число нейронів у миші. Причому велика частина нервових клітин восьминога зібрано в щупальцях, де вони формують щось на зразок модулів управління.
Вважається, що це стало обхідним маневром через відсутність у восьминогів мієліну - речовини, що огортає нервові волокна, завдяки чому сигнал проводиться набагато ефективніше. Якби щупальця покладалися тільки на мозкові команди, координація руху займала б багато сил і часу: імпульс з кінцівки спочатку б довго йшов по немієлінізованих нервах в мозок, а потім назад. Тому в щупальцях і з'явилися скупчення нервових клітин, які користуються певною автономією; і зайві протокадгеріни якраз і повинні були допомогти організувати центри управління в восьминожих кінцівках.
Що до транскрипційних факторів з цинковими пальцями, то вони керують активністю інших генів. Транскрипційними факторами називають білки, які регулюють - підсилюють або послаблюють - синтез РНК на хромосомах. Ті з них, у яких просторова структура поліпептидного ланцюга скріплена іонами цинку, утворюють, як легко здогадатися, групу факторів з цинковими пальцями, яких у білкової молекули може бути не один і не два. Причому як раз цинкові пальці і «хапають» нуклеїнові кислоти, то пак зв'язуються з тими чи іншими послідовностями в ДНК або РНК. Такі білки - одні з найпоширеніших інструментів регуляції генетичної активності, і, оскільки у восьминогів помножилося число нервових клітин і відповідальних за них генів, то знадобилися і додаткові регуляторні фактори до них.
Крім того, в геномі головоногих виявилися й інші особливості. Так, у них знайшли здатність швидко модифікувати білки, щоб поміняти їх функції - це, як вважається, допомагає восьминогам налаштовувати нервові ланцюжки на виконання різних завдань і забезпечує пластичність «розуму». Ще кілька сотень спеціальних генів обслуговують присоски щупалець. Нарешті, шість генів, які кодують білки рефлектини, активні в шкірі і допомагають восьминогам змінювати колір і фактуру покровних тканин, забезпечуючи видатний камуфляж.
В цілому можна сказати, що основні генетичні придбання пішли у восьминогів на вдосконалення нервової системи. Чи варто тому дивуватися мисливській стратегії, яку демонструє великий тихоокеанський смугастий восьминог: підкравшись ззаду до креветки, він витягує щупальце і злегка б'є її по голові - перелякана креветка відскакує назад, прямо в обійми восьминога. Таку хитромудру тактику описують у своїй статті в PLoS ONE () Рой Колдуелл (Roy Caldwell) з Каліфорнійського університету в Берклі і його колеги.
Більш того, виявилося, що великі тихоокеанські смугасті восьминоги виявляють достатню толерантність до себе подібним, поділяючи трапезу з іншими - а, як відомо, соціальна терпимість і взагалі навички соціального спілкування вважаються ознакою високого розвитку нервової системи.
Хоча гени читали тільки в одного виду восьминогів, можна припустити, що в цьому сенсі всі вони влаштовані приблизно однаково, так що зоологам варто уважніше придивитися до тих 300 видів, які відомі на сьогоднішній день - можливо, кожен з них по-своєму демонструє притаманну їм кмітливість. А ось у кальмарів і каракатиць в генах цілком можуть знайтися якісь відмінності: хоча вони разом з восьминогами і відносяться до головоногих, спосіб життя, будова тіла і навички маніпулювання щупальцями у них помітно відрізняються від восьминожих.