08.03.2024. - Разгадываем тайну зрительных систем хитонов

Разгадываем тайну зрительных систем хитонов

Вы, вероятно, прошли бы мимо хитона, даже не заметив его. Эти существа часто выглядят не более чем еще одним пятнышком морской водоросли на покрытых коркой прибрежных скалах. Но оно видит вас. По крайней мере, если это один из видов с глазами, усеивающими его пластинчатый кольчужный панцирь. Группа ученых под руководством Ребекки Варни из департамента экологии, эволюции и морской биологии Калифорнийского университета в Санта—Барбаре (EEMB) обнаружила, что у некоторых из этих выносливых моллюсков совсем недавно появились глаза с хрусталиком. Более того, два типа глаз, обнаруженных в этой группе, возникли в результате четырех отдельных событий. Исследователи описывают, какие факторы привели к такому необычному расположению, в статье, опубликованной в Science. Хитоны - любопытная группа морских моллюсков. Хотя, как правило, они находятся вне поля зрения общественности, они попали в заголовки газет благодаря некоторым замечательным свойствам. Например, все виды покрывают свои зубы железистым минералом магнетитом, что делает их самым твердым материалом, созданным живым организмом. И, по крайней мере, один вид использует метко названный сантабарбараит, еще один минерал железа.

Несмотря на родство хитонов с кальмарами, улитками и морскими гребешками, их глаза расположены не на мягких телах. Вместо этого многие из их органов чувств встроены непосредственно в их сегментированную оболочку. "Я не думаю, что есть какое-либо другое животное, которое встраивает свои глаза в свою броню так, как это делает хитон", - сказал соавтор Дэниел Спейзер из Университета Южной Каролины. Наиболее многочисленные из этих органов называются эстетами, это небольшие сенсорные структуры, расположенные в самом внешнем слое панцирей всех хитонов. Ученые все еще исследуют их функцию, но если они и улавливают свет, то на очень рудиментарном уровне. Эстеты, вероятно, послужили основой для двух видов глаз, которые действительно эволюционировали у некоторых из этих животных: более сложные глазные раковины и более многочисленные глазные пятна. Глаза-ракушки относительно большие и похожи на глаза человека, у них есть линза, которая фокусирует поступающий свет для формирования изображения на светочувствительном слое сзади. Тем не менее, у хитонов эта линза образована из минерала арагонита.

Напротив, глазные пятна меньшего размера в некоторых хитонах функционируют скорее как отдельные пиксели или сложный глаз насекомого, формируя зрительный датчик, распределенный по панцирю хитона. Хитоны добавляют эти структуры в виде нового роста по краям панциря. Старший автор Тодд Оукли изучает, как эволюционируют сложные системы, и использовал глаза хитона в качестве примера на своих занятиях в качестве профессора в EEMB. Соавтор Спейзер работал над хитонами в рамках своей докторской диссертации, прежде чем присоединиться к лаборатории Оукли в качестве постдокторского исследователя. "Мы хотели знать: есть ли что-то, что мы можем идентифицировать, что направляет эволюцию в этих разных группах к глазным точкам или к раковинным глазам?" сказал ведущий автор Варни, один из нынешних постдоков Оукли. Для начала команда приступила к построению генеалогического древа хитонов, используя ДНК образцов, хранящихся в глобальной коллекции хитонов соавтора Дуга Эрнисса, которая сейчас находится в Музее естественной истории Санта-Барбары. Соавторы Джоанна Кэннон и Моррис Агилар разработали молекулярные инструменты для исследования геномов хитонов. Затем Варни составил карту, у каких групп были глазные пятна, а у каких - глаза-раковины, что оказалось довольно неожиданным.

То, что команда считала двумя группами, у каждой из которых развилась своя зрительная система, в итоге превратилось в четыре группы, причем две пары сходились по одной и той же структуре. "Мы начали, зная, что существует два типа глаз, поэтому мы не ожидали четырех независимых источников", - сказал Варни. "Тот факт, что у хитонов глаза эволюционировали четыре раза, двумя разными способами, для меня довольно удивителен". "Это казалось почти слишком странным, чтобы быть правдой", - добавил Оукли. И группы, которые пришли к сходным структурам, даже не были наиболее тесно связаны друг с другом. Так что же могло привести к такой любопытной ситуации? Варни начала изучать различия между видами в этих группах, чтобы понять, сможет ли она найти какой-либо ключ к пониманию того, что подтолкнуло их к разным решениям одной и той же задачи. К счастью для нее, количество щелей по краям каждого сегмента панциря является признаком, используемым для различения различных видов хитонов. Итак, эта информация хорошо документирована, потому что она включена в описание каждого нового вида.

Без контекста это мало что значит, но начала вырисовываться закономерность. Варни заметил, что хитоны с глазками имеют множество прорезей — у некоторых до 20 в головной части. Напротив, у хитонов, у которых развились более крупные глаза-ракушки, обычно было около восьми щелей на этом участке. Но опять же, как это изменение могло подтолкнуть группы к радикально различным адаптациям, причем не один раз, а дважды? Эти выемки служат проводником для нервов, проходящих от панциря хитона к его телу. Таким образом, кажется, что у видов с меньшим количеством щелей развивается меньше, более крупных и сложных глазных раковин. Напротив, у тех, у кого было больше щелей, смогли развиться более многочисленные, немного меньшие по размеру глазные пятна, которые немного проще. И хотя количество выемок является диагностическим для вида, ученые не знают, чем это обусловлено. Таким образом, количество щелей, присутствовавших при развитии зрительных систем, по-видимому, повлияло на тип эволюционировавшей зрительной системы. "Здесь мы имеем очень четкую демонстрацию в естественной системе того, что эволюция зависит от того, что было раньше, даже когда то, что было раньше, может показаться совершенно не связанным", - сказал Оукли.

Команда решила пойти дальше, используя окаменелости для калибровки эволюции хитона с течением времени. Это дало бы им более точную оценку того, когда четыре группы развили свои зрительные системы после того, как хитоны отделились от других моллюсков около 450 миллионов лет назад. Они обнаружили, что панцирные глаза хитонов из Toniciinae и Acanthopleurinae, возможно, являются самыми недавно эволюционировавшими линзовидными глазами, возникшими в меловой период (150-100 миллионов лет назад). Раковинные глаза у неродственного вида Schizochiton incisus эволюционировали в юрском периоде (250-200 млн лет назад). Для контекста, большинство других экземпляров глаз с хрусталиками эволюционировали в кембрии, когда животные только начинали разделяться на основные группы. Между тем, глазные пятна появились еще в триасе (260-200 млн лет назад) у одной группы и в конце палеогена (75-25 млн лет назад) у другой. Хотя у некоторых из этих хитонов есть глаза, способные формировать изображения, ученые все еще исследуют степень их зрительного восприятия. В предыдущей статье команда Спайзера продемонстрировала, что вест-индский пушистый хитон может различать объекты и реагировать на них. Их глаза-раковины посылают визуальную информацию для обработки в кольцеобразную нервную структуру, которая проходит по всему их телу.

То, как зрительные нервы соединяются с этим кольцом, позволяет предположить, что хитоны могут определять местоположение объекта на основе расположения глаз, которые его замечают. Спайзер обнаружил, что хитоны могут различать объекты под углом около шести градусов. "Таким образом, хотя у хитонов плохое зрение по сравнению с нашим собственным, кажется, что они действительно "видят"", - сказал он. Это открытие подтверждает опыт ученых, работающих с этими хитонами в полевых условиях. "Когда вы собираете хитоны со скал во время прилива, вы должны подкрасться к скале незаметно. Потому что, если они вас увидят, они будут прижиматься", - сказал Варни. "И ты можешь сидеть там с пилочкой для ногтей и пытаться сорвать хитон; ты проиграешь". Спейзер и его коллеги продолжают исследовать зрение хитона. Это немного сложная задача.

Во-первых, "видео с хитоном и фотография хитона выглядят примерно одинаково", - пошутил Варни. А когда дело доходит до экспериментов, "у хитонов на самом деле нет причин сотрудничать с вами, поэтому выяснить, как спросить хитона, на что он смотрит, - сложная задача". Члены команды планируют исследовать генетические компоненты этих видов глаз и то, откуда они взялись. Для этого потребуется сосредоточить внимание только на одном или двух видах одновременно. Мы не всегда знаем, какая черта определит путь эволюции. Случайные изменения на более раннем этапе могут иметь неожиданные последствия в, казалось бы, несвязанных системах. "Чтобы изучать эволюцию в целом, вы должны, насколько это возможно, изучать эти системы в целом", - сказал Варни.

Источник