Глаза креветки-богомола обладают странной способностью

Фото из открытых источников

Исследователи выявили необычные зрительные пигменты, которые реагируют на насыщенный красный свет и могут включаться и выключаться при использовании разных цветов. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

Креветки-богомолы (Neogonodactylus oerstedii) известны тем, что видят цвета, которые никогда не увидят человек. Но новые исследования выявили неожиданный факт. Большинство их зрительных пигментов воспринимают зеленый свет, а некоторые обладают необычайными способностями.

Три вида улавливают насыщенный красный свет, который почти не может уловить ни одно другое животное, а четыре вида включаются при одном цвете света и выключаются при другом. Впервые проведя индивидуальное тестирование пигментов, исследователи обнаружили, как глаза креветок-богомолов могут обнаруживать длины волн красного света, которые большинство животных не способны воспринимать.

Исследование возглавили Камиль Бруйон, Алина Пушкарева и Марджори Лиенар, исследователи из Берлинского университета имени Гумбольдта и Института GIGA при Льежском университете в Бельгии.

Ни одно из этих измерений не проводилось на живом глазу креветки-богомола. Команда создала каждый пигмент внутри клеток почек человека, выращенных в чашке Петри. Там его можно было бы протестировать отдельно, вдали от десятков других, собранных в том же глазу.

Глаз креветки-богомола, благодаря которому животное получило свое название за способность различать цвета, недоступные человеку, разделен на верхнюю и нижнюю половины. Между ними проходит полоса из шести рядов фасеток.

Четыре из этих рядов обрабатывают цвет, и каждый из них расположен в три слоя светочувствительных ячеек. Пигменты находятся в этих клетках. Каждый из них представляет собой белок, называемый опсином, обернутый вокруг фрагмента витамина А, называемого ретиналем, причем ретиналь — это та часть, которая поглощает свет.

Команда Бруйона создала 17 опсинов для этого глаза и наделила каждый из них той же формой ретиналя, которую использует человеческий глаз. Двенадцать из них лучше всего поглощали свет вблизи 540 нанометров, что соответствует зеленому цвету, подобно зеленому пигменту в человеческом глазу. Два поглощали синий свет. Последние три достигли пика поглощения в красной области спектра, на длинах волн 592, 607 и 615 нанометров.

Красный детектор у животных встречается редко. Большинство пигментов, построенных на основе обычной формы ретиналя, не достигают 600 нанометров. Пигменты золотых рыбок и саламандр достигают 617 и 615 нанометров, но делают это с помощью модифицированной версии молекулы. Химики называют светоулавливающий ретиналь хромофором.

«Это первый случай, когда подобные пигменты были описаны у животных с использованием того же хромофора, что и у человека», — сказал Лиенар.

В зрительных пигментах человека свет изменяет форму сетчатки, запуская процесс, требующий регенерации пигмента. Четыре пигмента креветок работают по-разному. Свет одного цвета включает их, свет другого — выключает, и ретиналь никогда не покидает их.

Соавтор исследования Питер Хегеманн объяснил, что два из пигментов активируются красным светом и деактивируются синим светом.

«Два других работают в обратном порядке: они активируются синим светом и деактивируются оранжевым», — сказал Хегеманн.

В чаше прибора вспышка красного света активировала один из красных пигментов, а вторая вспышка сине-зеленого света ослабила его сигнал примерно на три четверти. Два синих пигмента можно было многократно включать и выключать, при этом их интенсивность практически не терялась. Команда называет эти четыре пигмента бистабильными, поскольку каждый из них имеет два стабильных состояния.

«С другой стороны, бистабильные пигменты могут быть непосредственно активированы вторым фотоном света, который восстанавливает сетчатку, что позволяет предположить, что зрительная система остается непрерывно работоспособной», — сказал Бруйон.

В двух из четырех цветовых рядов между верхними и нижними клетками расположен слой красного каротиноидного пигмента, напоминающий тонированную линзу. Оно поглощает более короткие волны, прежде чем они достигнут нижележащих клеток. Поэтому пигмент, расположенный под ним, реагирует преимущественно на проникающий красный свет.

Команда исследователей рассчитала, как каждый фильтр влияет на пигмент под ним. В верхнем слое одного ряда два красных пигмента смещаются до 632 и 637 нанометров, сохраняя при этом примерно половину своей чувствительности.

В нижнем слое того же ряда фильтр гораздо плотнее. Там пик одного пигмента смещается до 687 нанометров, глубокого красного цвета, близкого к границе видимого света, и при этом сохраняется лишь около 2,5% его чувствительности.

Ранее полученные оценки для этого ряда, основанные на измерениях самих глаз креветок-богомолов, указывали на пиковое значение в 560 нанометров у этого вида и 610 у двух родственных видов.

Пиковое значение в 687 нанометров имеет свою цену. Плотный фильтр смещает изображение глубже в красную область спектра, но при этом поглощает почти весь свет. Таким образом, клетки дальнего красного цвета в нижней части стопки, вероятно, полезны только при ярком дневном свете, написала команда исследователей.

Более чувствительные верхние клетки обеспечивают цветовое зрение на рассвете и в сумерках, когда этот вид наиболее активен и отходит дальше всего от своей норы.

«Это можно сравнить с ношением солнцезащитных очков днем и использованием фонарика в сумерках», — сказал Лиенар. «При ярком свете, когда ультрафиолетовые, синие и зеленые пигменты насыщены, красные опсины продолжают функционировать. На рассвете и в сумерках животное может полагаться на свои двенадцать зеленых опсинов и бистабильные синие опсины».

Почему рифовому хищнику необходимо зрение в дальнем красном диапазоне — это отдельный вопрос. Участки на передних конечностях, похожих на булавы, которыми креветка-богомол размахивает в сторону соперников, отражают до 10% падающего на них дальнего красного света. Красные кровяные клетки могли бы стать дополнительным каналом для оценки противника, но никто еще не проверял это на живом животном.

По меньшей мере 13 из 17 опсинов передавали сигнал G-белку, внутриклеточному ретранслятору, который также используют многие рецепторы человеческих гормонов и лекарственных препаратов. Это отличает их от белков водорослей, на которые в основном полагалась оптогенетика, поскольку они открывают пору в клетке, а не запускают реле.

В Льежском университете, объявляя о результатах исследования, написали, что пигмент, который включается красным светом и выключается синим, может служить обратимым переключателем для этих реле.

Поскольку красный свет проникает глубже в ткани и, как правило, менее вреден, чем синий или ультрафиолетовый свет, эти пигменты в конечном итоге могут стать ценными медицинскими инструментами. Однако подобные приложения пока остаются экспериментальными.

Все измерения проводились в клетках в чашке Петри, и команда исследователей написала, что пигмент может вести себя несколько иначе в живом глазу. Некоторые из опсинов вообще не давали никакого сигнала при взаимодействии с используемыми в тестах белками-передатчиками человеческого типа. Возможно, они образуют пары с белком креветок, который команда не исследовала.

Результаты исследования показывают, что креветки-богомолы выработали замечательные способы обнаружения и контроля своей реакции на свет. Ученые только начинают понимать, как эти способности формируют необычайное зрение животных и как они могут когда-нибудь принести пользу медицине.