Медузы дали людям глаз

Генетика глаз кишечнополостных такая же, как и у позвоночных

Хотя на эволюционном древе медузы отстоят от человека куда дальше, чем насекомые, их глаза оказались гораздо ближе к человеческим. Судя по всему, все животные обладают одним и тем же генетическим запасом для построения глаза. Но по каким-то причинам черви и насекомые решили воспользоваться не теми генами, что приглянулись и позвоночным, и так отличающимся от них кишечнополостным.

Свет не просто даёт жизнь. Для многих обитателей нашей планеты он же несёт в себе тысячи и миллионы бит информации. Кто-то извлекает из неё максимум – вплоть до способности видеть инфракрасное и ультрафиолетовое излучение и даже угол поляризации света. Человечество же ограничивается рецепцией трёх цветов, а абсолютному большинству видов достаточно градаций серого.

И у одноклеточных водорослей, и у сложноорганизованных глаз птиц работает один и тот же принцип возбуждения светочувствительного пигмента, хотя сами пигменты отличаются. Но это не единственное, что их объединяет: как выяснили Збынек Козмик и его коллеги, генетические последовательности, обеспечивающие развитие глаза у кишечнополостных и позвоночных, очень похожи. Работа учёных опубликована в последнем номере Proceedings of the National Academy of Sciences.

Опсины

семидоменные «змеевидные» белки с молекулярными весом около 40 кДа. Выделены и проанализированы у многих позвоночных и беспозвоночных животных, и хотя несколько различаются по величине, все имеют ту же самую семидоменную структуру. Принадлежат к большому надсемейству эволюционно родственных белков, которые включают к тому же не только обонятельные рецепторные белки, но и большое количество синаптических рецепторных молекул. В последние годы показано, что не только пигмент меланофоров - меланопсин - имеет такую же молкулярную структуру, но в форме бактериородопсина обнаружен и в бактериях.

Главная чувствительная составляющая глаза – фоторецептор, превращающий свет определенной длины волны во внутриклеточный, а затем и в межклеточный сигнал. Из-за их внешнего вида фоторецепторы делят на две большие группы: рабдомные (безресничные), характерные для беспозвоночных, и реснитчатые, используемые черепными.

Отличаются они не только по строению, но и по принципу действия. Рабдомы используют в качестве светочувствительных молекул r-опсин и фосфолипазу С, в то время как реснитчатые – c-опсин и фосфодиэстеразу.

Эти, казалось бы, несущественные для непосвященных отличия для биологов имеют принципиальное значение, подчеркивая отдельные пути развития органов зрения.

Вторая общая черта – темный пигмент, уменьшающий рассеивание фотонов и «концентрирующий» свет непосредственно на фоторецепторе. У позвоночных это меланин, а вот у всех остальных арсенал разнообразнее – птерины у кольчатых червей, птерины и оммохромы у насекомых, а сам меланин встречается у простейших планарий.

Органы зрения медуз

У самых примитивных медуз органы зрения отличают лишь светлое (верх) и темное (низ). У более развитых медуз зрительные клетки образуют углубление - «бороздку». Подобные глаза точнее определят, где находится источник света.

У таких медуз, как морская оса появляются выпуклые «глаза-линзы», очень похожие на человеческие органы зрения. Внутри подобного глаза тоже имеется стекловидное тело. Перед ним расположен хрусталик, фокусирующий свет. Он покрыт прозрачной роговицей. Позади стекловидного тела лежит сетчатка. Она улавливает сфокусированные световые лучи. Ее положение регулируется. Возможно, глаза медузы способны одинаково резко видеть объекты, находящиеся на разном расстоянии от нее.

Все 24 глаза морской осы расположены вокруг ее ротового отверстия. Они отчетливо делятся на четыре группы. Каждая включает два выпуклых глаза и четыре более простых, представляющих собой клетки, чувствительные к свету. Почти все глаза глядят в сторону ротового отверстия. Поэтому биологи долгое время считали, что они нужны медузе, чтобы осматривать добычу, которую та поймала своими щупальцами, умертвила и поднесла ко рту.

Лишь недавно были обнаружены тончайшие мышечные волокна, с помощью которых морская оса вращает глазами во все стороны. Пока еще неясно, каким образом глаза медузы отображают окружающий ее мир. Недавние опыты показали, что эти глаза поразительно чувствительны. Так, морские осы замечали спичку, зажженную в полутора метрах над водой. Другие медузы намеренно подплывали к слабо мерцавшему фонарику, зажженному в глубине моря. При этом морские осы еще и проявляли отличную координацию. Они старались не прикасаться друг к другу и не распускать свои длинные ядовитые щупальца. Получается, что подобные сложные задачи решают существа, не имеющие головного мозга - органа, который преобразует увиденное в трехмерную картинку и управляет мышцами.

Глаза кубомедуз, появившихся на нашей планете сотни миллионов лет назад, весьма похожи на наши даже по строению: у них есть примитивная роговица, хрусталик и сетчатка.

Теперь к ним добавились и общие генетические «корни» с глазами позвоночных.

Козмик установил, что в развитии глаз как медуз, так и более совершенных созданий участвуют одни и те же транскрипционные факторы, среди которых ключевую роль играет фактор Mitf. Кроме того, медузы, в отличие от остальных беспозвоночных тварей, используют меланин, а в их нервной системе встретился и c-опсин, характерный для более высокоорганизованных организмов.

Эти находки можно объяснить тем, что наши глаза – далекие «потомки» светочувствительных органов кишечнополостных, программа развития которых в «законсервированном» состоянии дошла до нас через не воспользовавшихся ею червей. Однако ученые настаивают на независимых путях развития, подразумевая, что все организмы в данном аспекте обладают примерно одинаковым генетическим «запасом», но медузы, в отличие от насекомых, червей и рачков, выбрали тот же путь, что и позвоночные.

Кубические медузы

(Cubozoa) – класс кишечнополостных, которым присущи сложные глаза, формирующие изображения, и сложнейшее среди книдарий поведение, включая внутреннее оплодотворение по меньшей мере в одного вида. Некоторые из кубических медуз могут быть опасными для человека – известны смертельные случаи вследствие их ожогов.

Продолжительное время кубические медузы считались родом класса стрекающих, но недавние исследования доказали необходимость выделения их в таксон более высокого ранга – отдельный класс. В классе Cubozoa один род, Cubomedusae, с двумя семействами, в которые входят 19 отдельных видов. На настоящее время найден лишь один ископаемый представитель этого класса, Anthracomedusa turnbulli, который был обнаружена близ Чикаго (США). Эта ископаемая медуза жила 323–290 миллионов лет тому, имела квадратный в разрезе купол и собранные в пучки щупальца, и вообще может быть отнесена к семейству Chiodropidae.

В целом, анатомически стадия медузы и полипа кубических медуз восточная с такими в классе Scyphozoa. Наиболее характерной особенностью кубических медуз, что отличает их от медуз других классов, например, Кишечнополостных, является купол прямоугольной в разрезе формы. Манубриум (удлиннная основа, на конце которой находится ротовое отверстие) и рот расположенные внутри куполу, ротовое отверстие обычно находится на уровне края зонтика. Зонтик имеет мускулистые лопасти, к которым присоединяются щупальца.

Семейству Chirodropidae присущее наличие нескольких щупалец на каждой лопасти, а семействе Carybdeidae – лишь одного. Между лопастями расположенные уникальные (как для кишечнополостных) сенсорные структуры – ропалии: каждая из ропалий составляется из органа равновесия (аналогично по строению со стрекающими) и из шести глаз. Четверо глаз, при этом, простые, а двое – относительно сложные, и составляются роговицы эпидермального происхождения, сферического клеточного хрусталика и вертикальной сетчатки.

Кубические медузы могут быть найдены почти во всех тропических и субтропических водах с нормальной океанической солностью (около 35 промилле). Два вида – Carybdea marsupialis и Carybdea rastoni – известные также из вод умеренного пояса. Скорее всего, данные о распространении кубических медуз неполные, учитывая их небольшие размеры, скрытый образ жизни и общую прозрачность тела, которые мешают наблюдениям.

По обыкновению кубические медузы встречаются в неглубоких прибрежных водах, с песчаным субстратом. Чаще всего их можно встретить расположенными вертикально низко над дном в течение дня и возле поверхности воды ночью. Водные наблюдения за кубическими медузами очень трудны, потому что при приближении водолаза они целеустремлнно и быстро плывут прочь. Один из видов, Carybdea sivickisi, имеет липкие присоски на внешней поверхности купола, с помощью которых она прикрепляется к субстрату – это сближает е со стрекающими медузами рода Stauromedusae.

Кубическим медузам присуще наиболее сложное поведение во всм классе кишечнополостных. Они являются активными пловцами, способными передвигаться со скоростью 3-6 метров на минуту. Также они имеют положительный фототаксис (то есть двигаются в направлении света) и активны и днем, и ночью, хотя питаются преимущественно перед закатом солнца и ночью. Зрение, в отличие от большинства других кишечнополостных, у кубических медуз играет большую роль в процессах питания и размножения.

Причем и стрекающие, и черепные активно используют опсины, не задействованные в зрении. У тех и у других «противоположный» опсин участвует в развитии мозга – если, конечно, так можно назвать небольшие нервные сплетения по периметру купола медузы. У позвоночных в состав палочек и колбочек входит c-опсин, а r-опсин в ганглионарных клетках сетчатки, судя по всему, отвечает за подстройку циркадианных ритмов по свету.

Эта работа еще раз подтвердила, что принцип «умные люди мыслят одинаково» работает и в эволюции, будь это выбор пути оплодотворения или способ формирования глаза. А наличие генетического «багажа» вовсе не обязывает к его использованию.