Ник Лейн - Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции
Разумеется, многие подробности здесь опущены, но в общих чертах эволюция глаза именно такова. Неудивительно, что у нас и у креветок, живущих на “черных курильщиках”, один итотже родопсин: мы все унаследовали его от одного и того же древнего предка. Но у нас по-прежнему остается еще один вопрос: кем был этот предок? Ответ нам дают тоже гены.
Когда Синди Ван Довер спускалась к “черным курильщикам”, ее неотступно преследовала мысль о свете. Креветки, которых она изучала, судя по всему, отлично улавливали зеленый свет с помощью родопсина, похожего на человеческий. При этом имевшиеся тогда измерения показывали, что “черные курильщики” не светятся зеленым. В чем же дело?
Один выдающийся исследователь в выступлении, посвященном своему уходу на пенсию, дал молодым ученым шуточный совет: ни в коем случае не пытаться повторить успешный эксперимент, потому что результаты таких попыток неизменно приносят горькое разочарование8. Не так уж очевидно, что может быть верно и обратное (всегда без колебаний повторять неудавшиеся эксперименты), но у Синди Ван Довер были все основания попробовать. Родопсины, как и покойники, не лгут. Синди Ван Довер рассуждала так: если родопсин креветок поглощает зеленый свет, значит, там должен быть зеленый свет. Оставалось предположить, что примитивное оборудование, использованное для первых измерений, было не так чувствительно, как голая сетчатка креветок.
Был заказан новый, намного более совершенный фотометр, спроектированный учеными из НАСА, знавшими все о регистрации излучений в черноте космического пространства. Этот прибор назывался ALIS5 (Ambient Light Imaging and Spectral System - “система визуализации и спектрометрии окружающего света”), и он действительно позволил зарегистрировать свет с другими длинами волн. С помощью ALISS в стране чудес “черных курильщиков” удалось выявить небольшой пик в зеленой части спектра, где интенсивность света была на несколько порядков выше, чем предсказывала теория. Результаты новых измерений вскоре подтвердились и на других полях “черных курильщиков”. Хотя источник этого мистического света по-прежнему остается загадкой, нет недостатка в остроумных гипотезах. Одна из них предполагает, что видимый свет могут испускать выходящие из гидротермальных источников пузырьки газа, сжимаемые высоким давлением воды, подобно тому, как это может происходить при образовании и разрушении кристаллов под высоким давлением при высокой температуре.
Синди Ван Довер не зря верила в родопсин: она знала, что что-то тут не так. У родопсинов есть удивительная способность соответствовать условиям окружающей среды. Море не зря называют синим: этот свет проходит сквозь воду дальше, чем свет с другими длинами волн. Море быстро поглощает красный свет, и он не может проникать глубоко под воду. Желтый заходит немного глубже, оранжевый - еще глубже. Но начиная с глубины около двадцати метров под водой остается в основном зеленый, голубой и синий свет, и чем глубже, тем больше доля синего. Этот свет рассеивается в воде, на больших глубинах окрашивая все в разные опенки синего. Родопсины рыб прекрасно отслеживают этот сдвиг в синюю часть спектра, пользуясь так называемой спектральной настройкой. В итоге на глубине восьмидесяти метров мы находим рыб, родопсины которых лучше всего поглощают зеленый цвет (с длиной волны около 520 нанометров), но на глубине двухсот метров, куда проникают в основном лишь тусклые лучи синего цвета, у рыб имеются родопсины, поглощающие синий цвет (с длиной волны около 450 нанометров). Интересно, что уже знакомый нам краб В. thermydron, живущий у “черных курильщиков”, спускаясь на дно, совершает обратный переход. Личинки этого краба живут на синих глубинах и пользуются родопсином, лучше всего поглощающим синий цвет (длина волны около 450 нанометров). А голая сетчатка взрослых крабов содержит родопсин, поглощающий свет с длиной волны 490 нанометров: он ближе к зеленой части спектра. Учитывая, что родопсин креветок, живущих у “черных курильщиков”, тоже поглощает зеленый свет, длина волны которого около 500 нанометров, Синди Ван Довер имела все основания подозревать, что это неслучайно.
Наше цветовое зрение тоже зависит от способности родопсинов поглощать свет с разными длинами волн. В нашей сетчатке имеются светочувствительные клетки двух типов: палочки и колбочки. Строго говоря, только палочки содержат родопсин, а колбочки содержат один из трех собственных, колбочковых опсинов. Но эта классификация ничего нам не дает, поэтому что все зтизрительные пигменты обладают примерно одинаковой принципиальной структурой: все они состоят из того или иного белка (опсина), встроенного в клеточную мембрану, где он образует семикратный зигзаг, и связанного с ним производного витамина А - так называемого ретиналя. Ретиналь - пигмент, отвечающий за поглощение света. Поглотив фотон, молекула ретиналя меняет свою форму с изогнутой на прямую, и этого оказывается достаточно, чтобы запустить работу всего биохимического каскада, в итоге посылающего в мозг сигнал “свет”.
Хотя свет поглощает именно ретиналь, важнейшим фактором спектральной настройки оказывается как раз структура белка опсина. Небольшие изменения в ней могут менять цвет поглощаемого ретиналем света с ультрафиолетового (около 350 нанометров), как бывает у насекомых и птиц, до красного около 625 нанометров), как у хамелеонов. В итоге, используя несколько разных опсинов, поглощающих свет с разными длинами волн, можно получить цветовое зрение. Наши собственные колбочковые опсины поглощают преимущественно свет синей (433 нанометра), зеленой (535 нанометров) и красной (564 нанометра) частей спектра, вместе обеспечивая привычный диапазон видимого света.
Хотя общая структура опсинов похожа, по различиям между ними можно восстановить интереснейшую историю эволюции их обладателей. Все они возникли за счет удвоения и последующего эволюционного расхождения генов, и у истоков их всех стоял один и тот же ген опсина. Ясно, что одни удвоения происходили раньше, другие - позже. Например, наши “красный” и “зеленый” опсины состоят в довольно близком родстве: породивший их ген удвоился лишь у общего предка приматов. Это удвоение дало приматам три типа колбочковых опсинов (по крайней мере, впоследствии, когда полученные два гена немного разошлись) вместо двух, благодаря чему и большинство людей обладают трехцветным (трихроматическим) зрением. У тех немногих, которые, к несчастью, родились дальтониками, не способными различать красный и зеленый цвета, один из этих генов вновь утрачен, что делает их зрение дихроматическим, как почти у всех остальных млекопитающих. Слабость цветового зрения большинства млекопитающих, возможно, связана с ночным образом жизни их сравнительно недавних предков, который помогал им прятаться от господствовавших в те времена динозавров. Почему приматы вернули себе трехцветное зрение - вопрос спорный. Самая популярная теория предполагает, что оно помогало им замечать красные плоды на фоне зеленой листвы. Согласно другой теории, придающей большее значение социальным факторам, трехцветное зрение возникло у приматов потому, что помогало им различать эмоции, признаки угрозы и сигналы потенциальных половых партнеров - от краски стыда до неприкрытого вранья (интересно, что у всех приматов, обладающих трихроматическим зрением, лица не прикрыты шерстью).
Я сказал, что приматы “вернули себе” трехцветное зрение, но на самом деле в том, что касается зрения, мы по-прежнему остаемся бедными родственниками многих других позвоночных. У рептилий, птиц, амфибий и акул зрение четырехцветное, и вполне вероятно, что общий предок всех позвоночных тоже обладал тетрахроматическим зрением и способностью видеть ультрафиолетовый свет10. Эту возможность подтвердили результаты одного очаровательного эксперимента: сравнив ДНК-последовательности генов современных позвоночных, Ши Юншэн и Седзо Екояма из Сиракузского университета в штате Нью-Йорк реконструировали последовательность одного из генов, которым обладал общий предок всех позвоночных. По одной последовательности мы пока не можем судить, какой была длина волны света, поглощаемого соответствующим опсином. Но это не остановило Ши и Екояму: они воспользовались методами генной инженерии, чтобы синтезировать кодируемый данным геном белок, а затем непосредственно измерили спектр поглощаемого света. Как и ожидалось, пик поглощения пришелся на ультрафиолетовую часть спектра (360 нанометров).
Ствол генеалогического древа опсинов, как мы убедились, восходит к общим предкам позвоночных и беспозвоночных. Но даже у такого живого ископаемого, как близкий к протобилатериям многощетинковый червь Platynereis, имеются уже два разных опсина, соответствующих опсинам позвоночных и беспозвоночных. На что же был похож самый древний предок опсинов всех животных, и откуда он взялся? На этот счет существует несколько гипотез. Но нашими главными проводниками в прошлое до сих пор были сами гены, и с их помощью мы смогли преодолеть промежуток в 600 миллионов лет. Не укажут ли они нам дорогу в еще более далекое прошлое? Петер Хегеманн и его коллеги из Регенсбургского университета в Германии утверждают, что гены действительно позволяют ответить на интересующий нас вопрос, и ответ этот оказывается совершенно неожиданным. Если верить выводам исследователей, самый первый прототип глаза возник даже не у животных, а у водорослей!
