Найдена генетическая причина отсутствия хрусталика у наутилуса

Рис. 1. Голова наутилуса. Отверстие зрачка не содержит никакой линзы и ничем не закрыто. Фотография из Википедии.

Давно известно, что у головоногого моллюска наутилуса очень необычно устроены глаза. Они похожи на сложные камерные глаза осьминогов, но по какой-то загадочной причине лишены хрусталиков. Между тем, судя по инженерным соображениям, даже самый простой хрусталик был бы в таком глазу только полезен. Последние генетические исследования позволяют предположить, что настоящая причина отсутствия хрусталика у наутилуса заключается в утрате одного определенного регуляторного гена, влияющего на развитие глаза и имеющегося у подавляющего большинства других животных. Возможно, странное устройство глаз наутилуса — это не хитрое приспособление к чему бы то ни было, а просто эволюционная случайность.

Наутилус — замечательный моллюск из класса головоногих. Он ведет пелагический образ жизни (то есть плавает в толще океанской воды) и достаточно редко попадается исследователям. Несмотря на то что раковины наутилуса были знакомы еще Аристотелю, первое детальное описание его строения сделал только в 1832 году великий английский сравнительный анатом Ричард Оуэн (Richard Owen). Из палеонтологии мы знаем, что ближайшие родственники наутилуса (наутилоидеи) имеют очень давнюю эволюционную историю. Это одно из тех животных, которых нередко называют «живыми ископаемыми» (см.: Можно ли считать латимерию живым ископаемым? «Элементы», 01.03.2013). От других современных головоногих — осьминогов, кальмаров, каракатиц — наутилус отличается мощной наружной раковиной. Для головоногих моллюсков это примитивный признак.

Одна из самых интересных особенностей наутилуса — его глаза (рис. 1). Все головоногие моллюски — очень подвижные животные со сложным поведением, так что зрение у них развито прекрасно. Например, глаз осьминога похож на глаз позвоночных: там есть зрачок, радужка, роговица, хрусталик и внутренняя полость, заполненная чем-то вроде нашего стекловидного тела (рис. 2, А). Такой глаз называется камерным. Лучи света попадают в него через маленькое отверстие, называемое зрачком, и проецируются на слой светочувствительных клеток, называемый сетчаткой. Снаружи зрачок покрыт тонкой прозрачной кожей, которая называется роговицей. А хрусталик — это вставленная в зрачок линза, которая фокусирует свет, обеспечивая резкость.

Рис. 2. Схема глаза осьминога (А), наутилуса (Б) и хитона (В). Хитоны — моллюски, не относящиеся к головоногим. Рисунок из Википедии, с изменениями.

Глаз наутилуса очень похож на камерный, но в нем нет хрусталика и роговицы (рис. 2, Б). Иначе говоря, этот глаз — безлинзовый. Зрачок наутилуса представляет собой просто отверстие, через которое вода свободно затекает во внутреннюю полость глаза. В англоязычной литературе такой тип глаза называется pinhole eye — по аналогии с pinhole camera, безлинзовой камерой, где роль объектива выполняет маленькое отверстие (pinhole — букв. дырка от булавки). В русском языке такой оптический прибор принято называть камерой-обскурой. Соответственно, глаз наутилуса — «глаз-обскура». Резкость изображения в таком глазу очень низкая.

Почему у наутилуса нет хрусталика? Этот вопрос уже давно интригует биологов. Ричард Докинз пишет по этому поводу в известной книге «Слепой часовщик»:

Наутилус — весьма загадочное существо. Почему за сотни миллионов лет с того момента, когда его предки развили глаз-обскуру, они так и не открыли принцип линзы? Преимущество линзы состоит в том, что она формирует изображение ярко и в то же время резко. Озадачивает у наутилуса качество его сетчатки, которое таково, что животное реально извлекло бы выгоду, большую и сразу, от наличия хрусталика. Она подобна высококлассной музыкальной установке с превосходным усилителем, усиливающим звук граммофона с тупой иглой. Система вопиёт о необходимости этого конкретного изменения. Наутилус, кажется, сидит в генетическом гиперпространстве прямо по соседству с очевидным и немедленным улучшением, но так и не делает этого маленького, но нужного шага. Почему? Майкл Лэнд из университета Сассекса, наш высший авторитет по глазам беспозвоночных, озадачен, и я — также.

Сам Майкл Лэнд (Michael Francis Land) в одной из своих работ говорит следующее:

Сохранение глаза-обскуры — настоящая загадка. Любая, даже примитивная линзоподобная структура, расположенная в отверстии этого глаза, улучшила бы или его резкость, или чувствительность, или и то и другое. Почему такое простое усовершенствование, столько раз происходившее у других животных, так и не произошло у наутилуса? Это остается эволюционной головоломкой (evolutionary conundrum).

Попытку разгадать эту головоломку недавно предприняла международная группа ученых, работавшая на базе крупного морского аквариума в японском городе Тоба (Toba Aquarium). Их задачей стало генетическое исследование. Известно, что непосредственным продуктом любого гена является РНК (информационная, транспортная или рибосомная). Процесс синтеза РНК принято называть транскрипцией, а множество всех РНК, синтезированных в той или иной группе клеток, — транскриптомом (по аналогии с множеством генов — геномом). В данном случае было решено изучить транскриптом формирующегося глаза зародыша наутилуса. Для сравнения тем же методом исследовали еще одно головоногое — карликовую каракатицу, имеющую нормальный камерный глаз с хрусталиком.

Изучение нуклеотидных последовательностей РНК, найденных в эмбриональных глазах наутилуса и каракатицы, показало, что у наутилуса отсутствует продукт гена, носящего название Six3/6. Этот ген принадлежит к довольно многочисленной категории генов, активность которых проявляется только в определенных отделах или частях тела. Такие гены называют гомеозисными. Самые известные гомеозисные гены — это Hox-гены, регулирующие у многих животных становление сегментации (см.: Эволюция ящериц и змей сопровождалась изменениями Hox-генов, «Элементы», 15.03.2010). Six-гены, к которым относится ген Six3/6, работают по похожему принципу. В основном они влияют на развитие головного мозга и глаз.

Странное название гена Six3/6 связано с тем, что у некоторых животных, а именно у позвоночных, этот ген дуплицировался (удвоился) и превратился в два гена, которые получили названия Six3 и Six6. У моллюсков этого удвоения не произошло, так что у них ген Six3/6 один.

Эксперименты на тех же позвоночных показывают, что потеря гена Six3 нарушает процесс формирования хрусталика, а его эктопическая экспрессия — иначе говоря, активность в неположенном месте — может, наоборот, вызвать образование лишних хрусталиков. Мутации гена Six6 бывают одной из причин микрофтальмии — недоразвития глаза, тоже связанного с нарушением развития хрусталика. Видимо, эти гены очень важны для образования такого глаза, как у нас, то есть камерного с линзой. Функции гомеозисных генов обычно чрезвычайно консервативны, и нет сомнений, что ген Six3/6 у моллюсков делает примерно то же самое. Специальная проверка показала, что в эмбриональном глазу каракатицы экспрессия этого гена выражена отлично. У наутилуса же ее нет вообще. Со строением глаза это нельзя не связать.

Исследователи не остановились на констатации этого факта, а пошли дальше. Дело в том, что конечными продуктами гомеозисных генов обычно бывают факторы транскрипции — белки, включающие или выключающие активность каких-то других генов. Причем эти другие гены очень часто тоже являются гомеозисными и тоже производят факторы транскрипции. Так образуются сложные цепочки генов, взаимодействующих между собой через свои продукты. В частности, есть по меньшей мере восемь генов, обычно участвующих в развитии глаза, активность которых запускается продуктом гена Six3/6. Проверить, как они работают у наутилуса и у каракатицы, было делом техники. И выяснилось, что в зачатке глаза каракатицы все эти гены нормально экспрессируются, а в зачатке глаза наутилуса их продукты начисто отсутствуют. Эволюционная «поломка» одного гена привела к обрушению целого каскада сигналов, запускающих довольно сложный процесс развития хрусталика и роговицы (рис. 3).

Рис. 3. Схема влияния генов на развитие хрусталика у кальмаров и каракатиц (Squid) и у наутилуса (Nautilus). Продукт гена Six3/6 вызывает экспрессию генов BMP3, BMP2/4, SOXB2, Nkx2, FoxB, FoxNI, POU3, TGIF и NeuroD. Активность этих генов вызывает синтез специфических белков хрусталика (Lens protein expression) и образование самого хрусталика, сначала в виде пузырька (Lens vesicle formation). У наутилуса экспрессии перечисленных генов нет, белки хрусталика не синтезируются и сам хрусталик не образуется. Рах6 — еще один ген, важный для развития глаза, активность которого не зависит от гена Six3/6 и наблюдается как у каракатицы, так и у наутилуса. Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports.

Почему речь идет именно о «поломке»? Известно, что ген Six3/6 очень широко распространен в животном мире. Он обнаружен не только у самых разных двусторонне-симметричных животных (насекомые, кольчатые, круглые и плоские черви, низшие хордовые), но даже у медуз. И у всех этих животных продукт гена Six3/6 так или иначе регулирует формирование глаз, если только глаза вообще есть (у крупных медуз, например, они есть). Нет никаких сомнений, что у общего предка всех моллюсков этот ген тоже был. У наутилоидей он почему-то потерян. Не обязательно утрачен физически: может, он и сохранился в геноме наутилуса в нефункциональном виде, — это предстоит выяснить. Но не работает он там точно.

Эволюционная линия наутилуса отделилась от остальных головоногих моллюсков, по разным оценкам, от 415,0 до 452,6 миллионов лет назад. Мы точно не знаем, какие глаза были у головоногих в то время. Может быть, они были уже классическими камерными (рис. 2, А), может быть, с хрусталиком, но еще без внутренней камеры (рис. 2, В), а может быть, хрусталик в них тогда еще даже не успел появиться, хотя это сейчас кажется менее вероятным. Но при любом из этих вариантов истинная причина отсутствия хрусталика у наутилуса, вероятно, состоит в «поломке» гена Six3/6, которая или уничтожила хрусталик, или не дала ему возникнуть. Эта поломка не привела к вымиранию группы, но и не была ничем компенсирована. Очень похоже, что никакие более сложные объяснения (например, приспособительные) здесь не нужны. Современные открытия вновь и вновь показывают нам, что роль случайности в эволюции нельзя недооценивать.

Источник: Atsushi Ogura, Masaaki Yoshida, Takeya Moritaki, Yuki Okuda, Jun Sese, Kentaro K. Shimizu, Konstantinos Sousounis & Panagiotis A. Tsonis. Loss of the six3/6 controlling pathways might have resulted in pinhole-eye evolution in Nautilus // Scientific Reports. 2013. Article number: 1432. Статья в открытом доступе.

Сергей Ястребов