Принципиально любой глаз, будь то сверхсложный орган птиц или простейшие глазки медуз, состоит из двух частей: «фотоэлектроумножителя» – сетчатки, преобразующей световой сигнал в электрический, и фокусирующей системы. И если в способностях сетчатки мы существенно уступаем тем же членистоногим, то фокусирующая система млекопитающих и птиц, безусловно, — самая совершенная среди животных.
Ей не только удается «уместить» изображения всех объектов, находящихся перед нами, на немногих квадратных миллиметрах сетчатки. За счёт сокращения мышц, изменяющих форму, а вместе с ней и оптическую силу хрусталика мы способны одинаково резко видеть объекты, находящиеся и на расстоянии вытянутой руки и в нескольких метрах.
Способности хрусталика тропических рыб цихлид этим не ограничиваются: в зависимости от интенсивности освещения они меняют оптические свойства самого материала, из которого изготовлена глазная «линза».
В общей сложности оптическая система глаза состоит из роговицы, хрусталика и стекловидного тела. Соответственно, размеры изображения, получаемого на сетчатке, зависят от оптической силы всех трёх вышеупомянутых «линз». Каждая из них, в свою очередь, определяется материалом и формой. Параметры роговицы и стекловидного тела практически неизменны, а вот хрусталик постоянно меняется.
В первую очередь эти изменения связаны с аккомодацией – наведением резкости на объект: например, у человека в зависимости от тонуса глазных мышц оптическая сила составляет от 19 до 33 диоптрий. Второй тип изменений связан не с формой, а с материалом: обычно с возрастом хрусталик становится более жестким, что и приводит к развитию «возрастной дальнозоркости» – пресбиопии. Кроме того, нарушается прозрачность, из-за чего нередко возникает катаракта, требующая хирургического лечения.
У цихлид изменения вещества хрусталика тоже происходят, только, в отличие от нас, они способны этими процессами управлять по потребности: например, при изменении освещения.
Несмотря на то, что хрусталик находится внутри глаза, развивается он из покровов эмбриона, а у взрослых рыб состоит из вытянутых внутренних волокон – хотя и живых, но лишенных каких бы то ни было органелл — и наружных клеток. Как установил Маркус Шартау и его коллеги из шведского Лундского университета, в случае цихлид органеллами обладают лишь клетки, удаленные от центра больше, чем на 92% по радиусу.
Но их неполноценность никак не сказалась на умении менять оптические свойства в зависимости от потребностей хозяина. Ученые обнаружили, что в зависимости от освещения хрусталик рыб работает по-разному, играя роль мультифокальной линзы днём и монофокальной ночью.
Случайностью это открытие не стало: цихлид давно разводят офтальмологи-теоретики. Во-первых, и это немаловажно, это очень красивые аквариумные рыбки, с которыми гораздо приятней работать, чем с мышами, хомячками или, тем более, обезьянами. Во-вторых, их сетчатка, в которой, как и у нас, есть «черно-белые» палочки и «разноцветные» колбочки, постоянно меняется. Смещение максимума её светочувствительности у разных популяций даже стало причиной выделения новых видов в одном из африканских озёр, которое учёным недавно довелось наблюдать практически в реальном времени.
Кроме того, палочки и колбочки меняют своё местоположение в зависимости от времени суток, предотвращая «перекрывание» светового сигнала.
Шартау и соавторы публикации в Current Biology предположили, что изменениями в сетчатке суточные колебания могут не ограничиваться. Чтобы проверить эту гипотезу, учёные взяли две группы рыб, одну из которых держали в темноте, а другую на свету.
Оказалось, что днём хрусталик – это мультифокальная линза, обладающая регионами с разной оптической силой, а потому полностью компенсирующая хроматические и сферические аберрации, связанные с тем, что свет разной длины волны преломляется под разным углом. Это позволяет «совместить» изображения в, например, красном и синем цвете.
Ночью эта же самая линза превращается в монофокальную, но так как при сумеречном освещении задействуются в основном палочки, то аберрации никак не сказываются на разрешении: палочки крупнее колбочек, и даже немного «разделяющиеся» лучи синего и красного света попадают на одну палочку и воспринимаются вместе. Кроме того, немного увеличивается «активная площадь» всей линзы, что позволяет собрать максимальное количество света.
Самое удивительное, что в этом участвуют не только полноценные, но «полуживые» клетки, лишенные органелл.
Механизм этих изменений пока остается неизведанным. Хотя ученые уверены, что здесь не обходится без дофамина, отвечающего за циркадианные перестройки в сетчатке, его ключевую роль показать не удалось.
Но поиск продолжается, ведь если найдется препарат, способный направленно изменять «материал» хрусталика, то о возрастной пресбиопии можно будет забыть.
Теоретически этим же принципом можно воспользоваться и при удалении катаракты. Дело в том, что когда на место удаленного хрусталика ставят новый, то он уже не способен менять свою кривизну. Следовательно, пациенту приходится выбирать, будет ли он хорошо видеть «вдали или вблизи», и такой хрусталик и имплантировать. Идея мультифокальных хрусталиков пока не достаточно хорошо реализована, но, как и у рыб, можно попробовать создать материал с изменяемыми свойствами. Осталось только придумать, как быстро, эффективно и при этом безопасно влиять на параметры линзы, находящейся внутри глаза.