Wszystko o mojej macce. Czego uczą nas ośmiornice

Co łatwiej kontrolować: sznurek trzymany za jeden koniec czy kij od szczotki? To nieco dziwne pytanie oddaje sedno problemu, z którym muszą zmagać się mózgi kontrolujące ruchy zwierząt. Luźny sznurek będzie wykręcał zawijasy i często nie trafi celu, gdy będziemy chcieli dotknąć jego końcem jakiegoś obiektu. Inaczej z kijem. Jednym sprawnym ruchem możemy nadać tyczce prawidłową trajektorię. Tylko co to wszystko ma wspólnego z mózgiem?

Pomyślmy o tym, jak wykonujemy ruchy. Gdy chcemy sięgnąć po kubek stojący na stoliku, górna część ręki prostuje się w ramieniu, „celując” w stronę kubka. Zaraz za nią w łokciu prostuje się dolna część ręki, dzięki czemu zasięg naszego chwytu wydłuża się i możemy złapać kubek dłonią. Co ważne, ręka prostuje się tylko w kilku miejscach – w stawach ramiennym i łokciowym; nadgarstek i palce wykonują dodatkowy chwytny ruch. Ograniczenie manipulowania kończyną znacząco upraszcza sytuację. Te kilka stawów określa liczbę „stopni swobody”, które mózg musi kontrolować (choć to wciąż wymaga wysyłania i odbierania sygnałów z ogromnej liczby komórek mięśniowych).

Jednak co by było, gdyby nasza ręka była bardzo elastyczna – np. gdyby usunąć z niej wszystkie kości? Nam, kręgowcom, trudno to sobie wyobrazić, ale przecież istnieje grupa zwierząt posiadających osiem gibkich kończyn. W przypadku ośmiornic liczba stopni swobody macek wydaje się nieograniczona! Czy to oznacza, że także zakres ruchów ośmiornicy jest nieograniczony?

Germán Sumbre z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i współpracownicy w eksperymencie opisanym w 2005 r. w „Nature” analizowali, w jaki sposób ośmiornica wprowadza pokarm do ust. Po chwyceniu pokarmu, co wymagało rozprostowania całej kończyny, nie wykonywała ona przypadkowych czynności, lecz wyginała mackę w kilku konkretnych miejscach. Tak ułożona macka przypominała zgiętą kończynę kręgowca – także rękę człowieka.

Moglibyśmy pomyśleć, że po chwyceniu pokarmu ośmiornica po prostu wygina mackę w łuk albo przyciąga do siebie całą kończynę. Zamiast tego manipuluje nią podobnie jak my, gdy zginamy rękę w łokciu. Czy to tylko przypadek, czy raczej argument za tym, że w przyrodzie najlepiej sprawdzają się kończyny ograniczone kilkoma stopniami swobody – tak u kręgowców, jak i bezkręgowców? Na to pytanie trudno jednoznacznie odpowiedzieć, ale możemy szukać innych podobieństw i różnic między naszymi ruchami a ruchami ośmiornic.

Pisanie gorszą ręką

Gdy nauczymy się wykonywać pewne czynności jedną ręką, zwykle nie przychodzi nam z łatwością wykorzystanie drugiej, mniej sprawnej ręki w tym samym celu. Raczej nie możemy stwierdzić czegoś podobnego o ośmiornicach, które w specjalnie przygotowanym eksperymencie musiały nauczyć się, gdzie schowana jest nagroda.

Tamar Gutnick z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie i współpracownicy chcieli zobaczyć, czy bodźce z peryferyjnych części ciała są przesyłane do centralnego układu nerwowego. Tam miałoby następować uczenie się – powiązanie „wymacanej” lokalizacji z nagrodą. Czy informacja o pozycji własnego ciała (określana jako propriocepcja) jest wystarczająca, by zapamiętać położenie nagrody? A może ośmiornica potrafi zapamiętać, jaki rodzaj powierzchni, której dotykała podczas eksploracji, prowadzi do jedzenia?

Wyobraźmy sobie, że ktoś każe nam poszukać z zamkniętymi oczami kubka na stole. Kiedy już go znajdziemy i będziemy chcieli po chwili sięgnąć po niego ponownie, prawdopodobnie zrobimy to szybciej niż za pierwszym razem. Być może nie trafimy dokładnie w to samo miejsce, ale będziemy blisko. ­Podobne zadanie stało przed ośmiornicami. Naukowcy stworzyli labirynt, do którego zwierzę mogło włożyć jedną, dowolną mackę. Przedsionek labiryntu rozwidlał się na dwie części. Na ich końcach znajdowały się komory, z których jedna zawierała dostępne jedzenie, a w drugiej nagroda była umieszczona za siatką, więc zwierzę nie mogło się do niej dostać.

Eksperyment miał dwa warianty. W pierwszym ściany ramion labiryntu były nie do odróżnienia, a nagroda znajdowała się zawsze w tej samej komorze. Zwierzę musiało więc wykorzystać informację o tym, w którą stronę eksploracja macką zaowocowała nagrodą (konieczne było zapamiętanie pozycji własnego ciała). W drugim wariancie położenie nagrody mogło się zmieniać – mogła raz trafić do lewej komory, innym razem do prawej – ale tym razem ściany poszczególnych części labiryntu różniły się teksturą. Jedna była chropowata, a druga gładka, i za każdym razem w danej części, np. chropowatej, znajdowała się komora z jedzeniem. Każdego dnia sprawdzano, ile razy ośmiornice trafiły na poprawną komorę.

Wszystkie badane osobniki nauczyły się sięgać po nagrodę w obu wariantach eksperymentu. Oznacza to, że i bodźce o położeniu macki względem ciała, i bodźce dotykowe informujące o rodzajach powierzchni mogły zostać przesłane do mózgu, tam powiązane z nagrodą i zapamiętane. Zwykle też nie miało znaczenia, które ramię eksploruje labirynt. ­Zazwyczaj ośmiornice używały wielu kończyn w różnych próbach eksperymentu i rzadko dało się zauważyć preferencję względem którejś z nich. Co jednak ciekawe, niektóre osobniki w ostatnim dniu eksperymentu potrafiły sięgnąć po nagrodę w odpowiedniej komorze, wykorzystując mackę, której wcześniej nie używały w tym celu. To mogłoby oznaczać, że wyuczona sytuacja nie jest powiązana z żadną z poszczególnych macek, lecz ośmiornica może zapamiętać pewne cechy środowiska i użyć dowolnej kończyny, by uzyskać cel.

Drugi mózg

Można by zakładać, że w kontroli nad ruchami ośmiornicy pomocne będą informacje wzrokowe – my sami nie tylko łatwiej chwycimy kubek z otwartymi oczami, ale nie musimy przy tym dokładnie obserwować, po jakiej trajektorii porusza się nasza ręka. Jednak wiele eksperymentów sugerowało, że ośmiornice mają trudności z wykorzystywaniem informacji wzrokowych do „dostrajania” ruchów poszczególnych macek.

Było to dość zagadkowe. Sporą część centralnego układu nerwowego ośmiornic stanowi płat wzrokowy – ten zmysł musi więc być bardzo ważny dla ich funkcjonowania. Ośmiornice mają też narządy wzroku bardzo zbliżone w budowie i działaniu do oczu kręgowców. Identyfikujemy u nich takie struktury, jak tęczówkę, siatkówkę, soczewki, fotoreceptory, nerw wzrokowy – wszystko to znamy z podręczników do anatomii człowieka. Ale dostrzegamy też interesujące różnice.

Jedna dotyczy sposobu, w jaki skupiamy wzrok, aby widzieć obiekty z ­dobrą rozdzielczością. My ­wykorzystujemy ­mięśnie zewnętrzne gałki ocznej, które zmieniają kształt soczewki (przez co światło załamuje się trochę inaczej). Ośmiornice zaś stosują metodę znaną użytkownikom kamer i teleskopów – przesuwają soczewki w różnych pozycjach, by odpowiednio skupić światło na siatkówce. Inna różnica dotyczy plamki ślepej, której pozbawione są ośmiornice – ich nerw wzrokowy łączy się z siatkówką tak, że nie narusza jej struktury (dzięki temu, inaczej niż u nas, na całej powierzchni siatkówki ośmiornicy obecne są światłoczułe komórki). Dlatego mózg ośmiornicy otrzymuje informacje o pełnym obrazie scenerii znajdującej się przed oczami, a nasz musi sam dorabiać obraz w maleńkim punkcie pola wzrokowego, odpowiadającym plamce ślepej.

Co jednak najważniejsze, u ośmiornic centralny układ nerwowy jest mniejszy od obwodowego układu nerwowego – liczba komórek, które tworzą ich mózg, jest dwukrotnie mniejsza od liczby komórek nerwowych zlokalizowanych w ciele. Niektórzy mówią wręcz, że ośmiornice posiadają „dwa mózgi” (jeden w głowie, drugi w ramionach). Sugerowano więc, że oba te systemy mogą nie być zbyt dobrze zintegrowane – byłoby to dla ośmiornic zbyt kosztowne obliczeniowo – i stąd biorą się ich problemy z dostrajaniem ruchów kończyn dzięki informacjom wzrokowym.

W eksperymencie opisanym w 2020 r. w „Current Biology” wspomnianej już Tamar Gutnick i współpracownikom udało się jednak w końcu udowodnić, że ośmiornice potrafią używać wzroku do naprowadzania swych elastycznych ramion. Badacze stworzyli kolejny labirynt, do którego zwierzę mogło włożyć tylko jedną mackę. Poprzez centralny tunel wejściowy ośmiornica wprowadzała mackę i przeszukiwała nią trzy odgałęzienia labiryntu. W jednym z nich mogła znaleźć pokarm. Aby poprawnie wykonać to zadanie i otrzymać nagrodę, musiała wykorzystywać wzrok.

Jak stwierdzono, że ośmiornica używa oczu, by pokierować macką? Gdyby nagroda zawsze znajdowała się w tej samej komorze, moglibyśmy podejrzewać wykorzystywanie propriocepcji i zapamiętywanie informacji o lokalizacji pokarmu (jak w pierwszym opisanym eksperymencie). Tym razem pokarm był umieszczany zawsze w innej, losowej komorze, więc zapamiętywanie, gdzie ostatnio znajdowała się nagroda, byłoby pozbawione sensu. Z kolei zapamiętanie, jak wygląda nagroda, by odróżnić ją od innych elementów środowiska, jest jak najbardziej na miejscu. A do tego potrzebny jest wzrok. I rzeczywiście, ośmiornice uczyły się, jak wygląda nagroda – dzięki temu mogły odpowiednio się ustawić i dostrzec ją przez przezroczyste ściany labiryntu – a potem zdecydować, jak pokierować macką, by nagrodę wydobyć. Gdy ściany labiryntu były nieprzezroczyste, ośmiornice nawigowały po nim zupełnie przypadkowo.

Zjadanie własnego ogona

Wróćmy jednak na peryferie ciała ośmiornicy i przyjrzyjmy się ponownie mackom. Nie są to bezwładne pacynki, którymi porusza ośmiornica aktor, lecz wyrafinowane narzędzia do badania świata. Każda pokryta jest zestawem przyssawek, które przyklejają się do wszystkich napotkanych powierzchni. Dzieje się tak nawet przez jakiś czas po amputacji macki! To oznacza, że mechanizm przyssania się jest niezależny od kontroli centralnego układu nerwowego.

Możemy zapytać, czy gdyby odcięta macka napotkała na inną mackę tego samego osobnika, to również przyssałaby się do niej? Z obserwacji wynika, iż tak się nie dzieje. W przeciwieństwie do macek innych osobników – ucięta kończyna szybko do nich przywierała. To ciekawe zjawisko może wyjaśniać obecnością jakiejś substancji chemicznej na skórze macki. Jeśli inna macka rozpozna ten związek jako „swój”, zaniecha używania przyssawek.

Badano też, jak wobec amputowanej kończyny zachowa się żywa ośmiornica właścicielka macki. Zazwyczaj wolno pływająca w wodzie kończyna była traktowana jako pokarm (ośmiornice są znane z kanibalizmu) – zwierzę chwytało ją i kierowało do ust. Jednakże w przypadku chwycenia swojej utraconej macki na tym się kończyło. Zwierzę nie zjadało swojej części ciała.

Ucieleśnienie

Ośmiornice ze swoim „rozproszonym” układem nerwowym należą do ulubionych zwierząt zwolenników podejścia zwanego ucieleśnionym poznaniem. To paradygmat obecny w wielu dyscyplinach – filozofii, psychologii, ale także robotyce czy neuronaukach – który miewał swoje wzloty i upadki. Z perspektywy ucieleśnienia mózg nie jest po prostu dyspozytorem komend do innych części ciała. Istotne są interakcje między nim, resztą ciała i środowiskiem. To nie sam mózg wykonuje wszystkie obliczenia i podejmuje każdą niezbędną decyzję – niektóre kwestie pozostawia innym graczom układanki o nazwie organizm żywy.

Ośmiornice z pewnością świetnie pasują do takiej wizji. Jak pamiętamy, gdy sięgają po coś do jedzenia, ich ramiona zginają się w trzy segmenty przypominające kończynę z ruchomymi stawami. Te „stawy” są jednak chwilowe i nie zawsze powstają w tym samym miejscu. Dwa bliższe względem ciała segmenty są zawsze podobnej długości. Jak to możliwe, skoro miejsce powstawania zgięć jest różne? Czy mózg ośmiornicy wybiera konkretne lokalizacje w macce, by umożliwić taką konfigurację? Niekoniecznie. Badania z użyciem elektromiografu mierzącego aktywność elektryczną mięśni w macce pozwalają na stworzenie innego modelu. W momencie chwycenia obiektu powstają dwie fale aktywności mięśniowej – jedna w miejscu złapania pokarmu, na dalszym końcu macki, a druga u podstawy kończyny. Fale rozchodzą się do środka macki, a miejsce ich spotkania wyznacza, gdzie pojawi się środkowe ugięcie kończyny, czyli granica dwóch segmentów.

Wydaje się, że ten mechanizm nie potrzebuje żadnych sygnałów z mózgu – informacja z peryferyjnych części ciała jest wystarczająca. Dzięki temu część obowiązków, które zwykle przypisuje się centralnemu układowi nerwowemu, rezydującemu w głowie, zostaje przejęta przez same macki. To może znacząco uprościć przetwarzanie informacji zmysłowych przez mózg i daje nam odmienną perspektywę patrzenia na zachowanie zwierząt.

Nie musimy wcale widzieć organizmów jako odpowiadających na bodźce ze środowiska decyzjami podejmowanymi przez mózg, wielkie centrum obliczeniowe. To cały organizm, całe ciało bierze udział w generowaniu zachowania. Organizm – dynamiczny układ, w którym rozmaite podsystemy wykonują po cichu swoje zadania dla wspólnego celu: przetrwania. ©