Mit den Sinneszellen in ihren Saugnäpfen können Oktopusse nicht nur mechanische, sondern auch chemische Reize wahrnehmen, also sowohl tasten als auch schmecken. Eine Studie hat nun aufgeklärt, wie genau die dafür verantwortlichen Rezeptoren funktionieren und wie sie dazu beitragen, dass die Arme der Oktopusse teilweise autonom auf Sinnesreize aus der Umgebung reagieren können.
Oktopusse haben ein äußerst komplexes Nervensystem. Anders als bei Wirbeltieren konzentriert sich nur ein kleiner Teil davon im Gehirn. Die meisten Nervenzellen verteilen sich hingegen auf die acht Arme. Das führt dazu, dass die Tentakel teilweise unabhängig vom Gehirn agieren können. Die Sinneszellen in den Saugnäpfen übermitteln ihre Signale direkt an das Nervensystem des jeweiligen Arms und ermöglichen so schnelle Reaktionen auf Umweltreize. In ihrem Lebensraum auf dem Meeresgrund, wo andere Sinnesorgane nur eingeschränkt nutzbar sind, bringt diese Besonderheit den Tieren zum Beispiel Vorteile bei der Jagd.
Saugnäpfe als Sinnesorgan
Forscher um Lena van Giesen von der Harvard University haben nun untersucht, wie genau die Sinneszellen in den Saugnäpfen von Oktopussen funktionieren. Dazu beobachteten sie zunächst das Verhalten der Kopffüßer: Boten sie einem Oktopus im Aquarium eine Krabbe an, die er nicht sehen, sondern nur durch ein Loch ertasten konnte, erkundete er mit einem Arm so lange, bis er die Beute gefunden hatte, schnappte sie dann und zog sie durch das Loch, um sie zu verspeisen. Ertastete er dagegen einen Gegenstand, der zwar in der Form einer Krabbe ähnelte, aber keine war, suchte er weiter, ohne das Objekt durch das Loch zu ziehen. Offenbar verließ sich der Oktopus also nicht allein auf die ertastbare Form, sondern konnte die Beute zusätzlich anhand ihres Geschmacks identifizieren.
Um herauszufinden, welche Mechanismen dieser Fähigkeit zugrunde liegen, isolierten die Forscher verschiedene Arten von Sinneszellen aus den Saugnäpfen des Oktopusses und stimulierten sie einzeln mit mechanischen oder chemischen Reizen. Einer der isolierten Rezeptoren entpuppte sich als Mechanorezeptor: Er reagierte auf Berührungsreize, nicht aber auf geschmackstragende Substanzen. Ein anderer Rezeptortyp – eine zuvor noch nicht beschriebene Art von Chemorezeptor – war hingegen unempfindlich gegenüber Berührungsreizen, reagierte aber deutlich auf Verbindungen, die von Beutetieren abgegeben werden. „Somit enthalten die Oktopus-Saugnäpfe unterschiedliche Arten von Sinneszellen, die jeweils eigene Funktionen haben. Das bildet die zelluläre Basis für den Saugnapf als multimodales Sinnesorgan“, schreiben die Forscher in ihrer Publikation.
„Denkende“ Arme
Doch wie genau werden die chemischen und mechanischen Signale verrechnet, um eine der Situation angepasste Reaktion hervorzurufen? Diese Frage konnten die Forscher beantworten, indem sie die elektrischen Signale analysierten, die die jeweiligen Rezeptoren aussenden, wenn sie aktiviert werden. Wie sich herausstellte, zeigen Mechano- und Chemorezeptoren ein etwas unterschiedliches Aktivierungsmuster und sind nach unterschiedlich langen Zeitspannen wieder bereit für eine erneute Stimulation. Ihre Signale werden direkt im Nervensystem des jeweiligen Arms verrechnet und können ohne Umweg über das Gehirn schnelle Reaktionen auslösen. „Mit dem halbautonomen Nervensystem kann der Oktopusarm schnell die Entscheidung treffen: Ziehe ich mich zusammen und schnappe mir die Krabbe oder suche ich weiter?“, erklärt van Giesens Kollege Nicholas Bellono.
Zusätzlich erforschten die Wissenschaftler, auf welche natürlichen Substanzen im Lebensraum des Oktopusses die Chemorezeptoren reagieren. Die von ihnen untersuchten Rezeptoren reagierten je nach Untergruppe unterschiedlich stark auf verschiedene Substanzen. Insbesondere in Kombination können sie den Forschern zufolge eine Vielzahl von Gerüchen wahrnehmen. Unter anderem wurden sie durch Krabben- und Fischextrakte aktiviert, durch Oktopustinte dagegen gehemmt. Schon aus früheren Studien war bekannt, dass die bei Gefahr abgesonderte Tinte den Geruchssinn von Angreifern betäubt.
Schmecken durch Berührung
Der Geruchssinn der meisten Meerestiere ist darauf ausgelegt, im Wasser gelöste Substanzen wahrzunehmen, die sich über weite Entfernungen hinweg verbreiten. Die untersuchten Rezeptoren aus den Oktopus-Saugnäpfen dagegen reagierten insbesondere auf wasserunlösliche Substanzen. Da sich diese nicht im Wasser verteilen können, lassen sie sich nur beim Ertasten wahrnehmen. „Solche Moleküle könnten zum Beispiel auf der Oberfläche der Beute von Oktopussen gefunden werden“, sagt Bellono.
Um nachzuweisen, dass Oktopusse tatsächlich beim Tasten wasserunlösliche Moleküle schmecken, bestrichen die Forscher einen Teil des Aquarienbodens mit Terpenoiden, einer Substanz, die einige Tiere als Warnung absondern, etwa um zu signalisieren, dass sie giftig sind. „Der Oktopus reagierte sehr auf den Teil des Bodens, in den das Molekül eingebracht wurde”, berichtet Bellono. Während das Tier den übrigen Boden gleichmäßig abtastete, berührte es die mit Terpenoiden präparierte Fläche jeweils nur kurz und zog den Arm schnell wieder zurück.
Die Forscher planen nun, weitere Rezeptoren aus der neu entdeckten Rezeptorfamilie zu erforschen, sowohl bei Oktopussen als auch bei anderen Kopffüßern. „Wir versuchen jetzt, andere natürliche Moleküle zu identifizieren, die die Tiere wahrnehmen könnten“, so Bellono. Dabei will das Team unter anderem herausfinden, ob und wie sich die Rezeptoren an die Reize aus verschiedenen Lebensräumen angepasst haben und wie sie spezifische Verhaltensweisen unterstützen.
Quelle: Lena van Giesen (Harvard University) et al., Cell, doi: 10.1016/j.cell.2020.09.008
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