Το μυστικό της κίνησης των χειριών του χταποδιού

Υπάρχουν πολλά αξιοσημείωτα πράγματα για τα χταπόδια—είναι περίφημα ευφυήςέχουν τρεις καρδιέςτα μάτια τους λειτουργούν όπως πρίσματαμπορούν αλλάξτε χρώμα κατά βούλησηκαι μπορούν «βλέπουν» φως με το δέρμα τους. Ένα από τα πιο εντυπωσιακά πράγματα για αυτά τα πλάσματα, ωστόσο, είναι το γεγονός ότι καθένα από τα οκτώ τους χέρια φαίνεται σχεδόν να έχει το δικό του μυαλό, επιτρέποντας σε ένα χταπόδι να πολλαπλές εργασίες με τρόπο που οι άνθρωποι μπορούν μόνο να ονειρεύονται.

Στην καρδιά κάθε βραχίονα υπάρχει μια δομή γνωστή ως αξονικό νευρικό κορδόνι (ANC) και μια νέα μελέτη Δημοσιεύθηκε στις 15 Ιανουαρίου στο Επικοινωνίες για τη φύση εξετάζει πώς η δομή αυτού του κορδονιού είναι θεμελιώδης για να επιτρέπει στους βραχίονες να ενεργούν όπως κάνουν. Ο Cassady Olson, ο πρώτος συγγραφέας στο χαρτί, εξηγεί στον Λαϊκή Επιστήμη ότι η κατανόηση του ANC είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του πώς λειτουργούν τα χέρια ενός χταποδιού: «Μπορείτε να σκεφτείτε το ANC ως ισοδύναμο με έναν νωτιαίο μυελό που τρέχει στο κέντρο κάθε μεμονωμένου βραχίονα».

Ο Olson εξηγεί ότι «υπάρχουν πολλές μεγάλες ομοιότητες [between the ANC and vertebrates’ spinal cords]—υπάρχει μια περιοχή κυτταρικού σώματος, α νευροπίλης περιοχή και μακριές οδούς για τη σύνδεση των βραχιόνων και του εγκεφάλου σε κάθε ένα». Αυτό σημαίνει ότι τα χέρια ενός χταποδιού είναι πολύ διαφορετικά από τα ανθρώπινα άκρα ή από αυτά άλλων σπονδυλωτών. αν μη τι άλλο, λέει ο Olson, είναι πιο ανάλογες με τις προκλητικές ουρές που βρίσκονται σε ορισμένα σπονδυλωτά: «Από την οπτική γωνία της κίνησης, έχω [often] σκέφτηκε τις ομοιότητες μεταξύ μιας ουράς σπονδυλωτών και ενός βραχίονα χταποδιού».

Ωστόσο, σε αντίθεση με την ουρά, τα χέρια του χταποδιού είναι χωρίς κόκαλα. Τεχνικά, είναι ένας τύπος δομής που ονομάζεται «μυϊκός υδροστάτης», που αποτελείται μόνο από μυ, συνδετικό ιστό και νευρικό ιστό. (Ένα άλλο παράδειγμα τέτοιας δομής, σημειώνει ο Olson, είναι η ανθρώπινη γλώσσα.) Αυτό τους παρέχει πολύ μεγαλύτερη ελευθερία κινήσεων από μια ουρά και επιτρέπει στα χταπόδια να επιδείξουν αξιοσημείωτη επιδεξιότητα. Και, φυσικά, κάθε βραχίονας είναι γεμάτος με κορόιδα, τα οποία ένα χταπόδι μπορεί να τα ελέγξει ανεξάρτητα – στο βαθμό που αλλάζει το σχήμα των μεμονωμένων κορόιδων όπως απαιτείται – και όλα μπορούν επίσης να μυρίσουν και να γευτούν καθώς και να αισθανθούν.

Δεν αποτελεί έκπληξη, λοιπόν, ότι τα χέρια του χταποδιού είναι φορτωμένα με νευρώνες – πράγματι, όπως επισημαίνει η εφημερίδα, υπάρχουν «περισσότεροι νευρώνες κατανεμημένοι [an octopus’s] οκτώ χέρια παρά στον εγκέφαλο». Αυτό παρέχει σε κάθε βραχίονα έναν βαθμό αυτονομίας, επιτρέποντας σε ένα χταπόδι να χρησιμοποιήσει μερικά χέρια για να εκτελέσει μια εργασία ενώ παράλληλα εκτελεί μια άλλη, εντελώς διαφορετική δραστηριότητα με άλλα χέρια. Δεν είναι ασυνήθιστο, για παράδειγμα, να βλέπεις ένα χταπόδι να χρησιμοποιεί πολλά χέρια για να κινηθεί στον πυθμένα του ωκεανού ενώ σπάει ένα κέλυφος με δύο άλλα. Κάθε βραχίονας μπορεί επίσης να αντιδράσει ανεξάρτητα σε ερεθίσματα χωρίς να εμπλέκεται ο κεντρικός εγκέφαλος. (Υπάρχει μια μάλλον φρικιαστική επίδειξη του τελευταίου γεγονότος: “Ακρωτηριασμένα χέρια χταποδιού”, λέει ο Olson, “θα εξακολουθούν να κυκλοφορούν μόνοι τους χωρίς εντολές από τον εγκέφαλο.”)

Ο βαθμός αυτονομίας που επιδεικνύεται από κάθε βραχίονα, λέει ο Olson, «υποδεικνύει ότι … μεγάλο μέρος του κυκλώματος για τις βασικές κινήσεις περιέχεται μέσα στο ίδιο το ANC». Το πώς ακριβώς κατανεμήθηκε αυτό το κύκλωμα, ωστόσο, ήταν άγνωστο και το βασικό εύρημα σε αυτή τη νέα μελέτη είναι ότι το ANC χωρίζεται σε τμήματα που εκτείνονται κατά μήκος του βραχίονα.

Είναι αυτή η αρθρωτή δομή, λέει ο Olson, που επιτρέπει μέρος της εργασίας που εμπλέκεται στον έλεγχο των κινήσεων του χεριού να ανατεθεί στους νευρώνες σε αυτά τα τμήματα, αντί να ελέγχονται όλα από τον εγκέφαλο του χταποδιού. «Η κατάτμηση που βλέπουμε στο στρώμα του κυτταρικού σώματος του ANC μπορεί να θεωρηθεί ως επαναλαμβανόμενες μονάδες επεξεργασίας κατά μήκος του ANC», λέει. «Αυτό παρέχει το πλεονέκτημα της τοπικής επεξεργασίας για τον έλεγχο του κινητήρα του βραχίονα, υποδιαιρεμένη σε μικρότερες μονάδες, αντί για μια κεντρική εντολή που αποστέλλεται από τον εγκέφαλο μέσω μιας δέσμης νευρικών ινών».

Παρόλο που τέτοιες τμηματικές δομές δεν είναι μοναδικές για τα χταπόδια – τα σκουλήκια, για παράδειγμα, έχουν εξ ολοκλήρου τμηματικά σώματα – ο Olson λέει ότι μια βασική διαφορά μεταξύ των βραχιόνων του χταποδιού και των πλασμάτων όπως τα σκουλήκια είναι ότι «η τμηματοποίηση που περιγράφουμε στους βραχίονες των κεφαλόποδων αφορά κυρίως [the] νευρικό σύστημα.”

Η εσωτερική λειτουργία των βραχιόνων του χταποδιού μπορεί να φαίνεται ένας κόσμος μακριά από την καθημερινή ανθρώπινη ζωή, αλλά υπάρχει μια εκπληκτική ποσότητα χρησιμότητας στον πραγματικό κόσμο σε αυτή την έρευνα. Το πεδίο του «μαλακή ρομποτική»που περιλαμβάνει την κατασκευή ρομπότ από μαλακές, εύκαμπτες ουσίες και όχι από γυαλισμένο με χρώμιο ατσάλι της λαϊκής φαντασίας, έχει αντλήσει αρκετή έμπνευση από τα χταπόδια. Οι σχεδιαστές σε αυτόν τον τομέα έχουν συχνά χρησιμοποιήσει τμηματικά σχέδια για δομές που μοιάζουν με βραχίονες χταποδιού και ο Olson λέει ότι η εύρεση ενός παραδείγματος τέτοιου σχεδίου στη φύση έχει τη δυνατότητα να βελτιώσει και να βελτιώσει τέτοια ρομπότ: «Η έρευνά μας παρέχει ένα πλαίσιο κυκλώματος για το πώς το χταπόδι Το ANC ελέγχει τον βραχίονα και τα κορόιδα που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε μαλακό σχεδιασμό ρομπότ προσπαθώντας να μιμηθεί το χέρι του χταποδιού».

Συγκεκριμένα, παραθέτει τα στοιχεία που βρήκε η ομάδα για μια λεγόμενη «suckerotopy», έναν χωρικό χάρτη θέσεων κορόιδο που δημιουργήθηκε στο ANC με αναφορά στη θέση των νεύρων σε μεμονωμένα κορόιδα. Η νευρωνική καλωδίωση για αυτό, λέει, «θυμίζει μια δομή ελκυστήρα δακτυλίου», έναν τύπο νευρικής δομής που λειτουργεί ως ένα είδος γυροσκόπιου, επιτρέποντας σε ένα ζώο (ή σε ένα ρομπότ) να προσανατολιστεί στο διάστημα. Αυτά έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία βιοφυσικών μοντέλων του βραχίονα και των κορόιδων και ένα πραγματικό παράδειγμα θα μπορούσε να προσφέρει νέους τρόπους για να τελειοποιηθούν αυτά τα σχέδια.

Υπάρχουν πολλές άλλες τέτοιες ιδέες που περιμένουν να γίνουν, λέει ο Olson, επειδή υπάρχουν ακόμα πολλά που δεν καταλαβαίνουμε για τη βιολογία του χταποδιού – και είναι ακριβώς επειδή το σώμα και το νευρικό σύστημα των κεφαλόποδων είναι τόσο διαφορετικά από το δικό μας που έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν απροσδόκητες γνώσεις. Ο Olson λέει ότι αυτό είναι που κάνει αυτά τα ζώα τόσο προκλητικά όσο και συναρπαστικά στη μελέτη. «Είναι συναρπαστικό να μελετάς το νευρικό σύστημα των κεφαλόποδων. Τα χταπόδια αποκλίνονταν από τα σπονδυλωτά πριν από πολλά εκατομμύρια χρόνια και έχουν ένα πολύ διαφορετικό σχέδιο σώματος, επομένως για τη δομή και τη λειτουργία του νευρικού συστήματος, είναι ενδιαφέρον να ρωτήσουμε τι είναι ακόμα παρόμοιο και τι είναι διαφορετικό».