Зрительная система морских многощетинковых червей раскрывает эволюцию глаз

Личинки морского червя Platynereis dumerilii ориентируются с помощью света. В начале развития они плывут к свету, чтобы использовать поверхностные течения для расселения. Более взрослые личинки, наоборот, уплывают от света на морское дно, где превращаются во взрослых червей. Учёные из Института биологии развития Макса Планка обнаружили, что эта смена поведенческой реакции связана с разными нейронными системами, лежащими в основе глаз. Они создали первую нейронную карту зрительной системы — от восприятия светового стимула до поведенческой реакции (поворота при плавании).

Механизм фототаксиса на разных стадиях

В первые два дня жизни у личинки самые простые глаза на планете: с каждой стороны головы по одной фоторецепторной клетке и одной клетке с экранирующим пигментом. В 2008 году было обнаружено, что эта клетка напрямую связана с двигательным аппаратом личинки — поясом ресничек. При попадании света личинка движется по спирали к источнику.

Через 3 дня развития эти простые глаза перестают управлять фототаксисом. Появляются две пары более сложных глаз на верхней стороне головы (зачатки глаз взрослой особи). Они состоят из нескольких фоторецепторных клеток, пигментного бокала и даже простой линзы. Развивается простая нейронная сеть для обработки световых стимулов.

Нейронная карта и переключение на негативный фототаксис

Учёные детально изучили эту сеть с помощью электронного микроскопа. Для 3-дневной личинки была составлена карта из 71 нейрона, соединённых более чем 1000 синапсами. Световой сигнал теперь передаётся не только к ресничкам, но и к мускулатуре тела. Кроме того, глаза с двух сторон тела соединены на нейронном уровне.

Эксперименты показали, что свет активирует мускулатуру так, что личинка изгибается и уплывает от света. При блокировке нейронной связи между фоторецепторами и мускулатурой личинки теряли реакцию на свет, но могли плавать.

Нейронные связи между глазами по бокам тела нужны для пространственного разрешения. Были идентифицированы нейроны, которые подавляют сигнал от фоторецептора с противоположной стороны, что усиливает контраст между светом и тенью и улучшает фототаксис.

Эволюционный взгляд

Впервые описана полная нейронная сеть простой зрительной системы «от стимула до поведения». Простые глаза ранней личинки (две клетки) соответствуют идее Чарльза Дарвина о «прото-глазе» — предке всех существующих глаз. Четыре глаза 3-дневной личинки представляют собой усовершенствованную форму этого принципа.

«Как будто мы можем наблюдать несколько шагов эволюции глаз в одном животном. Мы считаем, что первые глаза, вероятно, эволюционировали для выполнения фототаксиса — позже появились глаза, способные распознавать объекты».

Первые простые глаза в эволюции, вероятно, могли лишь отличать светлое поле от тёмного, но они могли стать отправной точкой для развития сложных зрительных систем, таких как человеческий глаз.