Еще до выхода на сушу позвоночные выработали весьма совершенную систему цветного зрения, основанную на четырех опсинах (тетрахроматическое зрение). Эта система сохранилась у многих наземных позвоночных, включая птиц, которые великолепно различают цвета. Возможно, если бы такое зрение имелось и у людей, нам казалась бы убогой трихроматическая система отображения цвета, используемая в наших телевизорах и компьютерных мониторах. У человека, как и у всех обезьян Старого Света, зрение трихроматическое. У большинства других млекопитающих из четырех опсинов, имевшихся у древних позвоночных, сохранилось только два (дихроматическое зрение). Предки обезьян тоже имели дихроматическое зрение (а значит, не могли отличить красный цвет от зеленого).
Глаз животного, как известно, выстилается сетчаткой — светочувствительным пигментным слоем. В этом слое работают светочувствительные клетки — палочки и колбочки. Палочки цвета не воспринимают. А отвечают за наш художественный вкус колбочки. Фотопигмент палочек только один — родопсин, фотопигменты колбочек — порфиропсины. У многих позвоночных животных имеется два светочувствительных пигмента, это так называемые дихроматы (см. дихромазия), а у приматов — три: синий, зеленый и красный, это трихроматы (но пусть читатели не обольщаются по поводу своей цветовой гениальности — раки-богомолы имеют 12 типов цветовоспринимающих клеток!).
Сделать камерный глаз, обладающий роговицей, радужной оболочкой, линзой и сетчаткой, можно и из компонентов единственной клетки. Для этого представители динофлагеллят семейства Warnowiidae используют сложным образом объединенные органеллы — митохондрии, эндоплазматическую сеть и бывшие хлоропласты, потерявшие способность фотосинтезировать.
Глаз — это классический пример сложного органа, состоящего из разных тканей, который приносит организму пользу как целое. Еще Дарвину задавали вопросы о том, как сложный глаз животных мог постепенно сформироваться в ходе эволюции. На что Дарвин отвечал, что сложные органы вполне могут образовываться постепенно, потому что даже несовершенные глаза могли давать организму небольшие преимущества. Например, светочувствительные клетки, не снабженные дополнительными приспособлениями, могут помочь только в общих чертах определить направление света. Но и это уже лучше, чем полная слепота.
Интересно, что такой классический образец сложного органа, как камерный глаз, может развиться даже у одноклеточного организма. Такими глазами со всеми необходимыми компонентами — роговицей, радужной оболочкой, линзой и сетчаткой — обладают представители планктона — динофлагелляты семейства Warnowiidae.
Одноклеточные существа со сложными глазами в цитоплазме клеток были описаны еще в начале двадцатых годов прошлого века (см. Charles Atwood Kofoid & Olive Swezy, 1921. The free-living unarmored dinoflagellata). Тогда исследователям и в голову не могло прийти, что такие сложные глаза принадлежат самому микробу. Поэтому было решено, что глаза в цитоплазме — это недопереваренные остатки медуз, которыми планктон питается. Такая гипотеза долго сохранялась, потому что представители динофлагеллят семейства Warnowiidae очень редки. Кроме того, до сих пор не подобраны условия для культивации этих микроорганизмов в лаборатории, из-за чего их и в наши дни сложно исследовать.
В той же работе в «сетчатке» этих динофлагеллят обнаружили экспрессию гена родопсина, напоминающего бактериальный. Белки этой группы позволяют чувствовать направление света и другим микроорганизмам, у которых есть простые глазки, — например, хламидомонаде, а также грибу Blastocladiella, плавающие споры которого тоже снабжены фоточувствительными сенсорами. Но бывают и другие механизмы восприятия света: например, эвглены используют светочувствительный белок аденилатциклазу, активируемую под действием света.
У всех микроорганизмов, обладающих глазами, эти органы устроены по-разному. У хламидомонады, как и у динофлагеллят семейства Warnowiidae, на свет реагирует часть хлоропласта (только хлоропласт у них рабочий). Светочувствительное пятнышко на краю хлоропласта хламидомонады содержит родопсин, который частично экранируют гранулы с пигментами каротиноидами (рис. 1). Экранировать светочувствительные сенсоры хотя бы с одной стороны необходимо, чтобы организм мог определять направление света. У других «зрячих» микроорганизмов — эвглен — глазок никак не связан с хлоропластами. У эвглен фоточувствительные белки встроены в специальные плотные стопки мембран у основания жгутика. Направленность света обеспечивают гранулы с пигментом гематохромом. В спорах гриба Blastocladiella устройство фотосенсора похожее — родопсины располагаются в мембранных органеллах по соседству со жгутиком, а неподалеку от них находятся липидные везикулы, вероятно, тоже обеспечивающие направленность света, падающего на фоточувствительные органеллы.
Панцирь моллюсков хитонов Acanthopleura granulata уникален — прямо в его защитную броню встроены сотни крошечных глаз с линзами из минерала арагонита, позволяющих моллюску видеть во всех направлениях. Ученые не только выяснили, как устроены эти глаза, но и восстановили то, что с их помощью видит моллюск. Наличие арагонитовых зрительных линз у хитонов показывает, что моллюски — это уже третий тип животных (после трилобитов и офиур), обошедших обязательность органических хрусталиков.
...Однако дальнейшие исследования свойств глаза Tripedalia дали неожиданные результаты. Когда в том же Лундском университете построили геометрическую модель глаза, чтобы понять, как изображение фокусируется на сетчатке, оказалось, что, с учетом известного уже коэффициента преломления хрусталика, изображение фокусируется не на сетчатке, а за ней. Таким образом, идеальные преломляющие свойства хрусталиков не используются из-за «неправильной» геометрии глаза.
Исследователи Лундского университета попытались интерпретировать эти результаты по-иному: глаз медузы работает как пространственный низкочастотный фильтр, то есть у глаз намеренно сбита фокусировка, чтобы не видеть мелких деталей. Такой глаз хорошо различает большие и неподвижные объекты, и не видит планктон и разную мелкую взвесь в воде. Если мы вспомним, что кубомедузы в основном обитают на мелководье в мангровых зарослях, то можно предположить, что такое зрение вполне может обеспечивать быстрое плавание и лавирование меж подводных корней и стеблей.
Есть и другая гипотеза, как может использоваться пространственный низкочастотный фильтр. Tripedalia охотится в основном на рачков-копепод. В солнечные дни копеподы образуют плотные скопления в вертикальных столбах света, которые формируются между корней мангровых зарослей. Медуза прекрасно видит световой луч и начинает быстро плавать взад и вперед, много раз пересекая этот луч света. Благодаря этой простой и эффективной стратегии охоты множество копепод захватываются щупальцами медузы. Для этого не требуется хорошо видеть мелкие объекты, но необходимо различать крупные.
генетик из Базельского университета Давид Талер готов предложить такое объяснение: все дело может быть в феномене высокочастотного зрения, которым обладал великий мастер эпохи Возрождения.
По словам Талера, и сегодня можно встретить таких людей, к примеру бейсболистов, успевающих разглядеть швы на мяче во время полета, или теннисистов, которые берут супербыстрые подачи.
Впервые мысль о "быстром глазе" Леонардо пришла Талеру, когда он прочитал в записках художника описание полета стрекозы.
"Стрекоза летит на четырех крыльях, - сообщал Леонардо, - и когда два передних находятся в верхнем положении, два задних пребывают в нижнем".
"Я подумал: вот это круто, надо мы посмотреть самому, - вспоминает ученый. - Дело было летом, и вокруг летало много стрекоз, но сколько я ни вглядывался, для меня это выглядело как сплошное мелькание. Никто из моих друзей тоже не смог различить структуру полета, и тогда я всерьез взялся за изучение темы быстрого глаза".
Проведенное Талером исследование показало, что задние и передние крылья стрекозы входят в противофазу на сотую долю секунды, и из записной книжки Леонардо следовало, что он это наблюдал, а значит его глаз финксировал картинку с частотой 100 герц, или сто раз в секунду, то есть примерно в два раза быстрее, чем у обычных людей.
Талер объясняет это генами, которые отвечают за формирование калиевых ионных каналов в клетках сетчатки глаза.
По его словам, у некоторых видов животных, в частности, у многих насекомых, благодаря ярко выраженным генным отличиям сетчатка позволяет засекать очень быстрые движения. Такие же отличия в развитии клеток сетчатки могут отвечать и за повышенную скорость фиксации картинки у людей.
Рамачандран с коллегами спрашивали респондентов в США и Индии (на английском и тамильском языках), какая из фигур на марсианском языке называется «буба», а какая — «кики». 95% отвечающих назвали бубой правую фигуру, а кики — левую
В 2005-м году технологии стали достаточно точными, чтобы подсчитать количество колбочек, чувствительных к разному цвету. Что и было проделано в Рочестерском Университете (профессором медицинской оптики David Williams).
Результат оказался поразительным. Разница в количестве колбочек достигала 40-ка раз.
Смотрим на картинку.