Зрение акул и скатов: новые данные
Зрение — ключевое чувство для большинства животных. Позвоночные эволюционировали, развив набор высокоадаптивных генов опсинов, которые создают светочувствительные пигменты для декодирования изображения на сетчатке. Эти опсины включают родопсин (палочковый опсин) для зрения в условиях слабого освещения и четыре класса колбочковых опсинов для зрения при ярком свете и различения цветов в видимом спектре.
В ходе эволюции эти опсины у многих видов изменялись, утрачивались или дублировались, обеспечивая уникальные адаптации для зрения на суше, в воздухе и под водой. Например, большинство птиц сохранили полный набор из одного палочкового и четырёх колбочковых генов опсинов, присутствовавших у первых челюстных рыб, и являются, таким образом, тетрахроматами. В то же время большинство плацентарных млекопитающих утратили колбочковые опсины, чувствительные к синему (SWS2) и зелёному (RH2), сохранив (помимо палочкового RH1) только опсины, чувствительные к фиолетовому (SWS1) и красному (LWS), что делает их дихроматами. Некоторые приматы впоследствии дублировали ген LWS, создав третий колбочковый пигмент и развив трихроматическое зрение, характерное для человека.
Предыдущие исследования показали, что при переходе в морскую среду большинство морских млекопитающих также утратили класс гена опсина SWS1, став колбочковыми монохроматами, чьё зрение опосредовано только опсином LWS. Результатом стало отсутствующее (или минимальное) цветовое зрение у тюленей, дельфинов и китов. А у глубоко ныряющих китов впоследствии были утрачены все классы колбочек, остался только палочковый пигмент, что потенциально драматически влияет на диапазон их зрительной чувствительности.
До сих пор мало что было известно об эволюции зрения у хрящевых рыб, в частности акул и их генетических родственников — скатов.
«Мы охарактеризовали молекулярную идентичность зрительных пигментов сетчатки, экспрессируемых у пяти видов акул и четырёх видов скатов, сосредоточившись на мелководных видах, которые, как известно или вероятно, обладают колбочковыми фоторецепторами, и на тех, кто заполняет определённые филогенетические пробелы», — сказал автор-корреспондент Натан Харт.
В новом исследовании его команда показала, что все хрящевые рыбы, подобно морским млекопитающим, утратили гены опсинов SWS1 и SWS2. Акулы и скаты действительно содержат как палочковые, так и колбочковые фоторецепторы; однако скаты обладают двумя генами колбочковых опсинов, тогда как у акул есть только один. Таким образом, было обнаружено, что акулы утратили способность различать цвета.
«Кроме того, мы предоставили измерения спектральных характеристик зрительных пигментов, экспрессируемых у девяти видов скатов и двух видов акул, — сказал Харт. — Теперь мы можем подтвердить, что все изученные на сегодняшний день виды акул, по-видимому, являются колбочковыми монохроматами, но сообщаем, что у разных видов единственный колбочковый опсин может принадлежать либо к классу LWS, либо к классу RH2».
«В широком смысле цветовое различение может быть полезно для таких форм поведения, как обнаружение добычи, избегание хищников и выбор партнёра. Учитывая, что многие виды скатов проводят значительное время, отдыхая на субстрате или частично зарывшись в него, цветовое зрение может вместо этого помогать в обнаружении приближающихся хищников сверху за счёт либо усиления визуального контраста, либо устранения ахроматического мерцания».
Харт полагает, что океаническая среда и диапазон условий освещённости во время охоты могли вызвать многие уникальные адаптации опсинов у акул.
«Из-за поглощения, отражения и рассеяния самой водой, а также любыми растворёнными или взвешенными веществами, большинство водных местообитаний характеризуются низким визуальным контрастом. Более того, многие акулы активны как ночью, так и днём и поэтому должны функционировать в широком диапазоне интенсивности света. Вероятно, поэтому акулы часто работают близко к порогу своих зрительных возможностей, где недостатки схемы цветового зрения могут быть пагубными для выживания».
Исследование предоставило наиболее подробную на сегодняшний день картину разнообразия опсинов, экспрессируемых в сетчатке эласмобранхий, к которым относятся скаты и акулы.
«Наши выводы также важны для понимания эволюции хроматического зрения на основе колбочек у позвоночных в целом. Эта реверсия к колбочковой монохроматии, независимо произошедшая у нескольких первично и вторично водных таксонов, позволяет предположить, что цветовое зрение имеет небольшую ценность для многих крупных морских хищников».
Команда Харта также проследила эволюционное время расхождения генов опсинов у акул и скатов и поместила эти временные рамки в более широкий контекст эволюции зрения позвоночных.
Пять основных классов генов зрительных опсинов, присутствующих у позвоночных (SWS1, SWS2, RH1, RH2 и LWS), эволюционировали до расхождения бесчелюстных миног и челюстноротых более 540 млн лет назад.
«Похоже, что гены опсинов SWS1 и SWS2 были утрачены этой линией после её отделения от костистых рыб 460 млн лет назад и до расхождения цельноголовых (химер) и эласмобранхий (акул, скатов и ромбовых скатов) 420 млн лет назад. Таким образом, вероятно, что только гены опсинов RH1, RH2 и LWS сохранились у предковых хрящевых рыб, с последующей дупликацией гена в линии цельноголовых, приведшей к появлению двух копий гена опсина LWS у слоновой акулы Callorhinchus milii».
Исследование было недавно опубликовано в онлайн-издании журнала Molecular Biology and Evolution.