Рыбьи глаза раскрывают эволюционную тайну, насчитывающую сотни миллионов лет

Фото из открытых источников

Древние окаменелости рыб показывают, как крошечные пигментные структуры формировали зрение, защищали органы и помогали позвоночным адаптироваться на протяжении миллионов лет. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Меланин — это пигмент, который придает коже загар и затемняет волосы. Большинство людей на этом останавливаются.  Недавнее исследование отодвинуло датировку гораздо дальше в прошлое — к ордовику, примерно 445 миллионам лет назад. К тому времени основные линии рыб начали следовать разным эволюционным путям.

Исследователи обнаружили, что микроскопические структуры, в которые упакован меланин, уже тогда формировали зрение позвоночных, способы их самозащиты и, возможно, то, как некоторые из них в конечном итоге выползли на сушу.

Исследование проведено палеонтологами из Университетского колледжа Корка. Руководителями работы выступили Даниэль Чиртина и Мария Макнамара. 

Группа исследователей измерила примерно 23 000 меланосом в глазах, коже и внутренних органах 12 видов ныне живущих рыб, представляющих все основные группы. Затем они сравнили их с 3000 меланосомами, сохранившимися в ископаемых рыбах из биоты Мазон-Крик возрастом 300 миллионов лет.

Меланосомы — это органеллы, внутри которых хранится и распределяется меланин. Они бывают различной формы. Некоторые имеют приблизительно сферическую форму, а другие — вытянутую с закругленными концами. Давно известно, что эти формы различаются в зависимости от ткани и вида животного. Систематически не исследовалось, почему и как далеко в эволюционном прошлом уходят эти различия.

Оказывается, именно в глазу история наиболее остра. У костистых рыб наблюдаются две различные популяции меланосом в глазу: сферические в сосудистой оболочке и радужной оболочке, и цилиндрические в пигментном эпителии сетчатки. 

Цилиндрические элементы расположены параллельно фоторецепторам. Они способны физически перемещаться внутри сетчатки — этот процесс называется ретиномоторным движением — защищая фоторецепторы от избытка света и повышая остроту зрения. 

Это медленная, а не быстрая адаптация. Она настроена на управление предсказуемыми, постепенными изменениями окружающего освещения, а не на внезапные перемены.

У акул и скатов наблюдается иная картина. В их глазах отсутствуют цилиндрические меланосомы, которые есть в сетчатке костистых рыб. Без них больше света достигает отражающих кристаллов на задней части сетчатки, которые усиливают чувствительность в условиях недостаточного освещения.

Это адаптация к условиям низкой освещенности, в которых обитают многие хрящевые рыбы.  Для реагирования на резкие изменения яркости они полагаются на быструю регулировку зрачка, а не на меланосомы. 

Обе группы решили одну и ту же проблему — как функционировать в диапазоне уровней освещенности — принципиально разными способами, и решение представлено в геометрии меланосомы.

«Различные формы меланосом связаны со зрением», — сказала Чиртина. «У костистых рыб меланосомы колбасообразной формы в сетчатке, по-видимому, улучшают зрение и помогают контролировать количество света, достигающего светочувствительных клеток глаза, хотя этот процесс довольно медленный».

Однако хрящевые рыбы, такие как акулы и скаты, полностью утратили эти меланосомы, что позволяет большему количеству света достигать специализированных отражающих кристаллов на задней части глаз, благодаря чему они лучше видят в условиях низкой освещенности. 

Вместо этого эти рыбы больше полагаются на быструю регулировку размера зрачка для контроля поступающего света, что помогает им быстро адаптироваться к изменяющемуся уровню освещенности при переходе из мелководья в глубоководные районы.

Вопрос в том, когда именно возникли эти различия. Ископаемые из Мазон-Крик – позднего карбона, возрастом около 300 миллионов лет – сохранили меланосомы в исключительно хорошем состоянии. При исследовании с помощью сканирующей электронной микроскопии меланосомы ископаемых глаз демонстрируют сходные таксономические закономерности с их ныне живущими аналогами.

У бесчелюстных и хрящевых рыб были обнаружены только сферические меланосомы, тогда как у двух групп лучепёрых рыб также присутствовала цилиндрическая форма. Различия были установлены уже в каменноугольном периоде, что позволяет предположить, что эти различия могли возникнуть гораздо раньше в эволюции позвоночных.

История с глазами — наиболее ясный, но не единственный сигнал. Двоякодышащие рыбы относятся к ближайшей к четвероногим, четвероногим позвоночным, предки которых перешли на сушу, линии развития рыб.

У этих рыб в внутренних органах (жабрах, почках, печени, легких, брюшине, коже, селезенке и кишечнике) обнаруживаются поразительно крупные и многочисленные меланосомы. Внутренний меланин присутствует у всех групп рыб. Там он играет роль в связывании активных форм кислорода и защите тканей от физиологического стресса.

У двоякодышащих рыб масштабы внутренней меланизации находятся на совершенно другом уровне. Исследователи связывают это с эстивацией. Эстивация — это длительная метаболическая спячка, в которую африканские двоякодышащие рыбы впадают во время засухи, зарываясь в сухую грязь и выживая без воды в течение нескольких месяцев. 

При повторном насыщении кислородом двоякодышащих рыб после вылупления из воды образуется большое количество активных форм кислорода, которые могут вызывать окислительное повреждение тканей.

Обилие меланина во внутренних органах может служить буфером именно против такого рода стресса, обеспечивая антиоксидантную защиту во время физиологических испытаний, с которыми большинство других рыб никогда не сталкиваются. Исследователи предполагают, что аналогичные защитные механизмы могли помочь ранним позвоночным справиться с физиологическими трудностями жизни на суше.

«Наши исследования показывают, что меланин — это гораздо больше, чем просто пигмент, используемый для окрашивания нашей кожи и волос», — говорит Макнамара. «Форма и распределение меланосом тесно связаны с важными изменениями в эволюции рыб — с тем, как они видят, как функционирует их тело и как они адаптируются к окружающей среде». 

Ископаемые останки рыб свидетельствуют о том, что эти взаимоотношения чрезвычайно древние и являются частью нашей эволюционной истории.

Данное исследование предлагает концептуальную основу, связывающую геометрию органелл с их эволюционной функцией на протяжении длительного времени. 

Эти формы — не просто декоративные вариации. Они дают представление о древних адаптациях, которые помогли сформировать эволюцию позвоночных сотни миллионов лет назад.