Octopus-, Tintenfisch- und Tintenfischarm haben sich entwickelt, um verschiedene Verbindungen "zu schmecken".

Die Menschen haben unterschiedliche Geschmäcke. Es stellt sich heraus, dass Kraken, Tintenfische und Kalmare das auch haben.

Diese weichen Kopffüßer haben Proteine auf Saugnäpfen an ihren Tentakeln, die es ihnen ermöglichen, durch Berührung von Gegenständen „zu schmecken“. Doch die Arten haben sich entwickelt, um verschiedene Verbindungen zu erkennen, berichten Forscher in zwei am 13. April veröffentlichten Studien in Nature. Und die unterschiedlichen Geschmäcker könnten mit den Jagdmethoden der Arten verbunden sein.

Alle Arten haben modifizierte Versionen von Proteinen namens Neurotransmitter-Rezeptoren, die Gehirnchemikalien erkennen. Die Evolution formte die Hirnprotein um, damit sie neue Rollen als Geschmacks-sensitiv-Proteine einnehmen konnten. Doch die Evolution der Kraken führte dazu, dass sie einen Geschmack für fettige Dinge entwickelten, während die Evolution von Tintenfischen und Kalmaren die Hirnproteine veränderte, um bittere Verbindungen zu erkennen, entdeckten die Forscher.

„Dies ist ein völlig neues sensorisches System“, sagt Maude Baldwin, Evolutionsbiologin am Max Planck Institute for Biological Intelligence in Seewiesen, Deutschland, die nicht an der Arbeit beteiligt war. „Zusammen bieten diese Studien beispiellose Einblicke, wie sich sensorische Systeme entwickeln.“

Die Untersuchung von Kopffüßer-Rezeptoren könnte auch etwas Licht darauf werfen, wie sich menschliche Geschmacks-sensitiv-Proteine entwickelt haben. „Es verbessert unser Verständnis davon, wie Proteine im Allgemeinen evolvieren“, sagt Baldwin, sowie wie Proteine und sogar ganze Organismen neue Funktionen erwerben.

In einer früheren Studie entdeckte der Harvard-Physiologe Nicholas Bellono und Kollegen, dass die tonnenförmigen Proteine, die als Chemotaktile Rezeptoren in den Saugnäpfen der pazifischen Zwergkraken bekannt sind (Octopus bimaculoides), den Tieren ermöglichen, Terpene - "fettige", unlösliche Moleküle - mit seinen Armen zu schmecken (SN: 10/29/20).

Um einen detaillierten Blick auf diese Proteine zu werfen, arbeitete Bellono mit Strukturbiologe Ryan Hibbs vom Southwestern Medical Center der University of Texas in Dallas zusammen. Hibbs und Kollegen verwendeten Kryoelektronenmikroskopie, um die dreidimensionale Struktur des Proteins zu untersuchen.

Bei der Betrachtung der Struktur des Krakenproteins fanden die Forscher ein unerwartet großes Molekül, das in einer speziellen Tasche steckte und als Erkennung bestimmter Chemikalien dient. Das Auffinden eines Moleküls in einer dieser Taschen gibt Aufschluss über die Funktion des Proteins.

Das mysteriöse Molekül stellte sich heraus, dass es Teil des Reinigungsmittels war, das die Forscher verwendeten, um das Protein für das Mikroskop vorzubereiten. Das ist sehr unterschiedlich von den Arten von Molekülen, die sich an den Neurotransmitter-Rezeptoren binden, aus denen chemotaktile Rezeptoren entstanden, sagt Hibbs, jetzt an der University of California, San Diego. „Neurotransmitter sind klein und löslich. Dieses Ding ist sperrig und fettig.“

Indem sie eine Vielzahl von Molekülen untersuchten, die aus benachbarten Laboren gesammelt wurden, konnte Bellonos Team feststellen, dass die Krakenrezeptoren eine Vielzahl von „fettigen, klebrigen Molekülen“ erkennen können, die nicht in Wasser lösen. Da Kraken nach ihrer Beute tasten, ergibt es Sinn, dass ihre Geschmacksrezeptoren sich entwickelt haben, um Moleküle zu erkennen, die an Unterwasserflächen wie Krabbenpanzern oder ihren eigenen Eiern haften bleiben, anstatt kleine Chemikalien zu erkennen, die in Wasser leicht diffundieren, sagt Hibbs.  

Aber Kraken scheinen nicht alle fettigen Moleküle köstlich zu finden. In einem Experiment testeten die Forscher die Reaktion eines abgetrennten Tentakels auf eine solche Chemikalie. Der Arm kroch von der Messvorrichtung runter und aus dem Wasser heraus.

Um zu sehen, ob andere Kopffüßer die Geschmäcker der Kraken teilen, wandten sich die Forscher genetischen Analysen zu. Kraken haben 26 Gene, die jeweils ein leicht unterschiedliches chemotaktiles Rezeptor-Protein kodieren. Diese Proteine können in Kombinationen von fünf zusammengesetzt werden, um eine Vielzahl von Molekülen zu erkennen, fand das Team heraus.

Bei der Untersuchung von Genen von Tintenfischen und Kalmaren entdeckten die Forscher, dass auch diese Kopffüßerarten modifizierte Neurotransmitterrezeptoren in ihren Saugnäpfen haben. Aber einige der Rezeptoren von Tintenfischen und Kalmaren erkennen bittere Verbindungen, die in Wasser diffundieren können, nicht aber die fettigen Verbindungen, die Kraken schmecken. (Tintenfische können auch einige Terpene schmecken, aber nicht alle fettigen Moleküle, die Kraken erkennen.)

Bitterer Geschmack ist oft ein Signal dafür, dass etwas verdorben oder giftig ist, daher vermeiden Tiere in der Regel bittere Verbindungen, sagt Harold Zakon, Neurowissenschaftler und Evolutionsbiologe an der University of Texas in Austin, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

Bittere Verbindungen ließen auch Tintenfische die Nase - oder in diesem Fall die Tentakel - vor Beute rümpfen. Tintenfische, die Shrimps in einer bitteren Verbindung eingeweicht bekamen, handhabten das Essen länger, bevor sie es aßen, als sie es mit unveränderten Beute taten. Oder die Tintenfische lehnten die bitteren Shrimps ab, etwas, was Forscher niemals bei den Tieren mit regulärer Beute beobachteten.

The type of receptors the species have reflect their hunting strategies. Octopuses ”explore everything with their arms,” Bellono says, and likely use chemotactile receptors to guide their explorations. While octopuses use sight to catch prey out in the light of day, chemotactile receptors help them hunt in the dark and to find prey hidden in cracks and crevices, Bellono says. Squid and cuttlefish are ambush predators that rely on eyesight alone. The bitter receptors help squid decide whether to eat their prey only after they have it in their grasp.

The octopus and squid receptors evolved about 300 million years ago, early in the species’ histories. But it’s impossible to tell whether hunting style or receptor type came first or if the traits evolved together.

Octopuses also have another type of chemotactile receptor, the researchers found, but they don’t yet know what sorts of molecules those receptors sense.

It will take years to work out the details of what all the cephalopods’ receptors detect and how they influence animals’ behavior, Zakon says. “This is really a first announcement that these receptors have changed in fundamentally important ways.”