По новой эволюционной модели, тот же самый срединный глаз дал начало и привычным нам парным глазам. Получается, одна часть древней зрительной системы теперь позволяет человеку видеть окружающий мир, а другая регулирует сон и биологические часы. Работа Джорджа Кафетзиса и его коллег опубликована в журнале Current Biology.
Это не найденная окаменелость одноглазого животного и не прямое доказательство существования конкретного «циклопа». Авторы сопоставили строение, расположение и функции светочувствительных клеток у 36 крупных групп современных животных, охватывающих почти всё разнообразие двусторонне-симметричных организмов. На основе обнаруженной закономерности они реконструировали вероятную историю происхождения зрения у позвоночных.
До «циклопа» у предков были парные глаза
История начинается не с одноглазого существа. У далекого предка двусторонне-симметричных животных, вероятно, существовали сразу две светочувствительные системы.
Первая располагалась по бокам головы. Такие парные органы помогали животному выбирать направление движения, поворачивать к свету или от него и управлять телом. Именно из подобных боковых глаз впоследствии развились органы зрения многих беспозвоночных.
Вторая система находилась на средней линии — над передней частью нервной системы. Она не обязательно формировала изображение. Ее задачей было определять общую освещенность, отличать день от ночи, а также помогать животному понимать, где верх и низ.
Авторы новой модели заметили, что это разделение прослеживается у самых разных современных животных: парные боковые фоторецепторы чаще управляют направленным движением, а срединные светочувствительные клетки связаны с суточными ритмами и ориентацией тела. Именно эта повторяющаяся схема стала отправной точкой их реконструкции.
Почему предок позвоночных лишился бокового зрения
Около 600 миллионов лет назад один из ранних предков позвоночных, по версии исследователей, резко изменил образ жизни. Небольшое червеобразное существо перестало активно плавать, стало зарываться в морское дно или закрепляться возле него и питаться, отфильтровывая из воды планктон.
Парные глаза были полезны движущемуся животному, которому приходилось выбирать направление и следить за окружающим пространством. Почти неподвижному фильтратору сложная зрительная система уже не давала прежних преимуществ, но требовала энергии. Постепенно боковые глаза исчезли.
Срединные фоторецепторы, напротив, сохранились. Даже малоподвижному существу было важно чувствовать смену дня и ночи, определять направление света и понимать положение собственного тела. Из этих клеток мог сформироваться единственный светочувствительный орган на верхней стороне головы — тот самый глаз, из-за которого древнего предка теперь сравнивают с циклопом.
Ученые не знают, насколько хорошо этот орган видел. Скорее всего, он не создавал подробного изображения, а только различал интенсивность и направление света.
Как один глаз снова превратился в два
Следующий поворот произошел, когда потомки одноглазого фильтратора вернулись к более активному плаванию. Им снова понадобилось определять направление движения, удерживать тело в правильном положении, избегать препятствий и реагировать на хищников.
Но эволюция не восстановила исчезнувшие боковые глаза в прежнем виде. Вместо этого она использовала сохранившийся срединный орган.
Исследователи предполагают, что по его сторонам образовались две светочувствительные чаши. Сначала они могли оценивать вертикальные перепады света и помогать животному контролировать глубину и наклон тела. Затем чаши отделились от центральной части, сместились по бокам головы и постепенно превратились в два самостоятельных глаза.
Позднее у них появились структуры, способные фокусировать свет и формировать изображение. Так эволюционный путь, начавшийся с утраты зрения, в итоге привел к возникновению сложных глаз позвоночных. Основные этапы этой перестройки авторы относят к промежутку примерно между 600 и 540 миллионами лет назад.
Почему наша сетчатка похожа на часть мозга
Глаз позвоночного устроен необычно. Его сетчатка развивается не просто как светочувствительный участок кожи, а как вырост переднего мозга. Она содержит не только фоторецепторы, но и сложную сеть нейронов, которая начинает обрабатывать зрительную информацию еще до того, как сигнал доберется до головного мозга.
В человеческой сетчатке насчитывается более ста разновидностей нейронов. По сложности она заметно превосходит сетчатку головоногих моллюсков, хотя глаза осьминога и человека внешне работают по сходному принципу.
Раньше предполагалось, что большая часть этой сложности появилась уже после возникновения парных глаз. Авторы новой работы считают иначе: основные клеточные компоненты и связи могли существовать еще в древнем срединном органе.
Этот орган, по их модели, был «составным». В нем встретились два древних типа светочувствительных клеток. Ресничные фоторецепторы впоследствии дали начало палочкам и колбочкам, а клетки другого происхождения участвовали в формировании внутренних нейронов и выходных путей сетчатки.
Эволюции не пришлось создавать сложную зрительную схему с нуля. Она разобрала уже существовавший светочувствительный комплекс, перенесла его части по бокам головы и приспособила для формирования изображения. Именно поэтому авторы говорят не о постепенном усложнении простого бокового глаза, а о повторном использовании древнего срединного органа.
Древний глаз не исчез полностью
Срединный комплекс разделился не целиком. Две его боковые части стали сетчатками парных глаз, а центральная сохранилась в мозге и продолжила следить за освещенностью.
У современных позвоночных потомком этой структуры исследователи считают эпифиз, или шишковидную железу. У человека она расположена глубоко между полушариями мозга и вырабатывает мелатонин — гормон, участвующий в синхронизации сна и бодрствования с суточным циклом.
Человеческий эпифиз сам не смотрит на окружающий мир. Информация о свете поступает к нему от сетчатки через нервные пути. Поэтому называть его настоящим третьим глазом было бы неправильно. Связь здесь эволюционная: небольшой орган в мозге мог произойти от той части древнего светочувствительного комплекса, которая не превратилась в парные глаза.
Получается, каждый вечер наследник древнего срединного глаза помогает нашему организму понять, что наступила ночь. Профессор Лундского университета Дан-Эрик Нильссон назвал особенно поразительным именно то, что способность эпифиза согласовывать сон со светом может восходить к одноглазому предку, жившему около 600 миллионов лет назад.
У некоторых животных «третий глаз» сохранился снаружи
У человека от срединной системы осталась структура, скрытая внутри черепа. Но у некоторых рыб, земноводных и пресмыкающихся на верхней части головы до сих пор сохраняется теменной, или париетальный, глаз.
Особенно известен он у гаттерии, а также встречается у ряда ящериц. Обычно это небольшое светочувствительное образование, расположенное между обычными глазами или позади них. Оно не позволяет рассматривать предметы так же, как парные глаза, но реагирует на яркость и направление света.
Такой орган может участвовать в настройке суточных и сезонных ритмов, терморегуляции и ориентации. У некоторых видов он внешне выглядит как светлое пятно или небольшая полупрозрачная чешуйка на макушке.
Существование срединных светочувствительных органов у современных животных — один из аргументов в пользу того, что парные глаза и эпифиз позвоночных действительно могли произойти из общего древнего комплекса.
Новая модель пока остается гипотезой
Авторы не обнаружили окаменевший глаз и не восстановили ДНК конкретного одноглазого существа. Их вывод основан на сравнении современных животных, эмбрионального развития, типов фоторецепторов, нервных связей и функций светочувствительных органов.
Это масштабная эволюционная реконструкция, способная объяснить сразу несколько странных особенностей зрения позвоночных: почему сетчатка развивается из мозга, откуда в ней появились разные классы клеток, как возникли ее нервные цепи и почему эпифиз так похож по происхождению на светочувствительные органы.
Сильная сторона модели в том, что она связывает все эти детали одной последовательностью событий. Сначала предок утратил древние боковые глаза, затем сохранил и усложнил срединный орган, а после возвращения к активному образу жизни использовал его части для создания новой пары глаз.
Для окончательной проверки этой истории понадобятся новые данные по развитию и генетике светочувствительных систем у современных видов. Тем не менее исследователи считают, что предложенный сценарий впервые дает цельное объяснение происхождения не только фоторецепторов, но и нервных цепей, анализирующих изображение в сетчатке. :
Наши глаза, если эта модель верна, появились далеко не по прямой линии от простого светочувствительного пятна к сложной оптической системе. Эволюция сначала отказалась от бокового зрения, оставила один срединный глаз, а затем разобрала его на части и использовала заново.
Две из этих частей сегодня позволяют нам видеть мир. Третья каждую ночь сообщает организму, что пора спать.