从章鱼鱿鱼身上吸取进化适应的教训

章鱼和鱿鱼等头足类动物在进化上与蛞蝓和蜗牛等软体动物分道扬镳。这些动物在专门的手臂附属物内有精心设计的紧凑神经系统，可以执行令人惊讶的多样化行为。

那么这些动物是如何在神经上从带壳的软体动物进化成行为复杂的生物的呢?

在发表在《自然》杂志上的两项独立研究中，哈佛大学贝洛诺实验室和加州大学圣地亚哥分校瑞安·希布斯实验室的研究人员发现了一些线索，重点是头足类神经系统如何适应感知海洋环境。他们描述了动物如何利用手臂内的趋化受体家族进化，并提供了这种功能变化如何在深度进化过程中作为对环境的适应而发生的一瞥。

在第一篇论文中，研究人员描述了章鱼如何重新利用祖先神经递质受体来感知其外部环境。他们发现章鱼趋化受体是从乙酰胆碱神经递质受体进化而来的，与人类在我们的神经肌肉接头处具有的相同类型。然而，章鱼受体不是感知神经递质，而是包含重要的适应性，以感知粘附在表面上的相对不溶的油腻分子。

“他们用手臂对海底的缝隙进行'触摸品尝'接触依赖的水生探索，”分子和细胞生物学系副教授高级研究员Nicholas Bellono说。

研究小组确定了章鱼趋化受体的3D结构，并将其与乙酰胆碱受体进行了比较，以检查它如何从其在神经传递中的祖先角色转变。两种受体的整体结构看起来相似。

“但是章鱼受体的结合口袋，虽然在祖先神经递质粘附的相似位置，但非常不同，”贝洛诺谈到大而粘的表面。“我们发现结合口袋处于进化的选择压力之下。

这就解释了像章鱼这样的动物如何通过微妙地改变蛋白质的一部分来创造新的受体和行为功能，从神经传递过渡到环境化学感觉，例如嗅觉或味觉。

与章鱼表亲相比，乌贼是伏击捕食者，用它们的八只手臂和两条长触手袭击并捕获毫无戒心的猎物。它们没有用手臂探查表面，而是抓住猎物，把它卷起来吃掉。

“在第二篇论文中，我们发现鱿鱼的化学受体更类似于我们的味觉，”贝洛诺说。研究小组发现，鱿鱼受体已经适应了感知苦味分子。如果鱿鱼感觉到苦味，它可能会将其解释为有毒或不受欢迎，并会释放猎物。研究小组再次发现，人类神经递质受体和鱿鱼受体之间的主要区别在于结合口袋。

“在这种情况下，受体比章鱼少，它们看起来更像神经递质结合袋，因为它可以结合更多的亲水分子，”贝洛诺说。“我们认为章鱼和鱿鱼之间的这种差异反映了进化的时间线和适应性，我们看到从乙酰胆碱受体的神经传递到鱿鱼中的可溶性苦味的转变，再到章鱼中不溶性分子的触摸味觉感知的最新创新。

2020年，贝洛诺的团队首次报道，章鱼使用手臂中的趋化受体来搜索和探索环境。这两篇新论文共同为理解微妙的结构适应(例如头足类受体中的结构适应)如何驱动适合动物特定生态环境的新行为提供了基础。

“头足类动物是研究进化的极好模型。这些研究提供了一个很好和意想不到的例子，说明如何利用这些生物来研究从原子到有机体水平的生物创新，“贝洛诺说。