Подвижность глаз хамелеона обеспечивается спиральными глазными нервами

Рис. 1. Хамелеоны обладают очень подвижными глазами и могут двигать ими независимо. Фото © C. Erciyes с сайта flickr.com

Хамелеоны имеют впечатляющий набор адаптаций к древесному образу жизни и необычной «пассивной» форме охоты, во время которой они медленно крадутся по ветвям, разыскивая добычу своими очень подвижными глазами. Важным ограничением подвижности глаза является длина зрительного нерва, и столетиями вопрос о том, как хамелеоны справляются с этим фактором, оставался без ответа. При помощи современных методов визуализации удалось обнаружить, что зрительный нерв этих ящериц закручен в спираль — подобно телефонному проводу. Эта уникальная анатомическая черта формируется на поздних стадиях эмбриогенеза и служит идеальным инженерным решением, позволяющим хамелеонам независимо вращать глазами, не растягивая и не повреждая нервные волокна.

Многие ящерицы ведут древесный образ жизни, но лучше всего к нему приспособлены хамелеоны. За время своей эволюции они обзавелись цепким хвостом и конечностями, способностью быстро менять цвет кожи, «стреляющим языком» и большими, независимо двигающимися глазами (рис. 1, 2). Многие из этих адаптаций, по-видимому, также связаны с уникальным для хамелеонов «пассивным поиском пищи», который представляет собой промежуточную стратегию между «активной» и засадной охотой. Глаза в такой стратегии играют решающую роль, поскольку, благодаря их мобильности, движения тела во время захвата добычи могут быть сведены к минимуму. Когда хамелеоны осматривают окружающую среду в поисках добычи и потенциальных хищников, их глаза независимо друг от друга двигаются во всех направлениях, описывая до 180 градусов по горизонтали и до 90 по вертикали. Сам этот факт звучит как фантастика, хотя для хамелеонов это обыденность, критически важная для выживания. За этой суперспособностью долгое время скрывалась фундаментальная анатомическая загадка: как пучок нервных волокон, соединяющий глаз с мозгом, выдерживает такие экстремальные, многократные и асинхронные нагрузки без повреждений? Ответ, найденный международным коллективом ученых, оказался одновременно лаконичным и удивительным. Опубликованное в журнале Scientific Reports исследование показало, что зрительный нерв хамелеонов представляет собой закрученную спираль, напоминающую старый телефонный провод (рис. 3).

Рис. 2. Трехмерная визуализация хамелеона Chamaeleo calyptratus. A — череп, мозг и зрительный нерв; B — втянутый язык с подъязычным аппаратом; C — вид сбоку, демонстрирующий спинной мозг, части кровеносной и мочеполовой систем; D — цепкий кончик хвоста; E — задняя конечность (правая); F — передняя конечность (правая). Рисунок из обсуждаемой статьи

Поразительно, но эта уникальная анатомическая черта оставалась скрытой от науки на протяжении столетий. Хамелеоны давно привлекают внимание человека. Даже на древнеегипетских артефактах можно увидеть изображения хамелеонов (L. Evans et al., 2020. Camouflaged chameleons: a new discovery at the Egyptian site of el-Hosh). Анатомия этих ящериц была описана еще в классических трудах Плиния Старшего, Аристотеля и Альберта Великого, а наиболее раннее печатное издание с описанием и иллюстрациями зрительных нервов хамелеона было опубликовано французским анатомом Шарлем Перро (1628–1703). Хотя Перро опроверг ранее существовавшие представления о том, что мозг напрямую связан с глазами (по Аристотелю) и что зрительные нервы отходят от мозга отдельно, не перекрещиваясь как у других позвоночных (по мнению римского врача Доменико Панароли), авторы того времени все еще придерживались последней версии, поскольку она хоть как-то объясняла независимое движение глаз хамелеона.

Рис. 3. Детали строения головного мозга и спиральных зрительных нервов хамелеона Chamaeleo calyptratus. A — вид сверху; B — вид спереди; C — вид снизу; D — вид сверху и сбоку. На рисунке C непрерывная линия показывает длину зрительного нерва; пунктирная линия показывает линейное расстояние. E — ранняя иллюстрация зрительных нервов хамелеона, автор — Шарль Перро; F — головной мозг и происхождение черепных нервов Chamaeleo chamaeleon, автор — Иоганн Густав Фишер (иллюстрации справа не в масштабе). Рисунок из обсуждаемой статьи

Несмотря на многовековые исследования зрительных нервов хамелеонов, спиралевидное строение нерва никто не обнаружил (рис. 3). Причина этого пробела кроется в методологии: традиционные подходы, подразумевающие вскрытие, неизбежно нарушали естественное положение нерва. При извлечении из организма упругая спираль распрямлялась, и исследователь видел перед собой обычный прямой нервный тяж. Ничто не намекало на его истинную трехмерную конфигурацию. Прорыв стал возможен с широким внедрением методов высокоразрешающей компьютерной микротомографии (micro-CT). Эта технология позволила ученым заглянуть внутрь организма без вмешательства, сохранив все структуры в их естественном состоянии. Именно на трехмерных реконструкциях, полученных с помощью микротомографии, и проявилась во всей красе та самая спираль. Открытие моментально перевело эту черту из разряда «незамеченных деталей» в ранг «уникальных сюрпризов анатомии».

Авторы статьи подошли к решению вопроса о строении зрительных нервов масштабно. С помощью компьютерной микротомографии были изучены более 30 видов ящериц, включая 3 вида хамелеонов из далеких по родству групп. Результаты 3D-визуализации строения головного мозга для изученных таксонов были помещены в контекст филогенетических отношений и стало ясно, что спиральное строение зрительных нервов характерно именно для хамелеонов (рис. 4).

Рис. 4. Филогенетические связи и трехмерная визуализация мозга 17 видов чешуйчатых, представляющих основные группы этого отряда. Красным цветом выделены зрительные нервы. Рисунок из обсуждаемой статьи

У всех изученных видов хамелеонов зрительные нервы спирально закручены. После перекреста на нервах есть несколько точек перегиба, благодаря чему и формируются «витки» спирали. Из-за такого строения зрительные нервы хамелеонов намного длиннее (в 2–3 раза!), чем расстояние между перекрестом и местом соединения нерва с глазом «по прямой». Соотношение этих длин для взрослых хамелеонов разных видов немного отличалось и любопытно, что оно было разным для левого и правого глаза у каждого вида. Значит ли это, что глазные нервы хамелеонов асимметричны? Скорее нет, и авторы связывают эти отличия с положением глаз при фиксации образцов. Оказывается, и у продвинутых методов бывает погрешность.

Извилистость зрительного нерва рассматривается авторами статьи как анатомическая адаптация, соответствующая активным движениям глаз у хамелеонов. Они предполагают, что спиральное строение обеспечивает дополнительную гибкость, которая снижает нагрузку на зрительный нерв и способствует более активному вращению глаз. Поскольку виды, рассмотренные в исследовании, относятся к наиболее далеким друг от друга группам хамелеонов, предполагается, что сильно извитые зрительные нервы являются широко распространенным признаком в этом семействе. Зрительные нервы у миниатюрных и наземных видов (Brookesia superciliaris и Rieppeleon brevicaudatus) имеют более высокое соотношение длины к линейному расстоянию, но пропорционально короче, чем у более крупных древесных форм (Chamaeleo calyptratus), однако пока неизвестно, с чем именно связаны эти различия.

Но как именно работает подобный биологический механизм? Принцип его действия на удивление прост и гениален, и его можно наблюдать в повседневной жизни. Всем знаком витой провод стационарного телефона или же шланг для полива, собранный в кольца для удобства хранения. В растянутом состоянии провод уязвим: его можно перегнуть, перекрутить или порвать. В скрученном же состоянии он компактен и защищен, а его рабочая длина может многократно увеличиваться при необходимости, без риска повреждения. Именно по такому принципу и функционирует зрительный нерв хамелеона.

Когда глаз находится в обычном положении, нерв расслаблен и представляет собой тугую спираль. Когда же хамелеон начинает отслеживать добычу или сканировать территорию, и его глазное яблоко совершает повороты, спираль не растягивается, как это происходило бы с прямым нервом, создавая опасное напряжение, а распрямляется, высвобождая необходимую длину. При возвращении глаза в исходное положение спираль скручивается обратно. Эта «умная» конструкция решает сразу несколько инженерных задач: она предотвращает механическое растяжение и микроразрывы нервов, обеспечивает защиту от перегибов и сохраняет стабильное кровоснабжение нерва, которое неизбежно бы нарушалось при постоянном натяжении. Это идеальный пример, когда природа нашла оптимальное решение сложной проблемы — необходимости совместить максимальную подвижность с целостностью критически важной структуры.

В дополнение ко всему этому, исследователи изучили эмбриогенез хамелеонов (рис. 5). Оказалось, что на ранних этапах развития зародыша зрительный нерв закладывается и развивается как совершенно прямой. Спиральная конфигурация начинает формироваться лишь на поздних стадиях. Это наблюдение подсказывает, что скручивание нерва не является базальной, исходной характеристикой для этой группы, а представляет собой крайне специализированную адаптацию, которая возникла и закрепилась в процессе эволюции, вероятно, именно для обслуживания их уникального зрительного аппарата. Это не побочный продукт какого-то иного процесса, а результат отбора, который включается в самый последний момент эмбриогенеза, готовя молодого хамелеона к той визуальной активности, которая ждет его сразу после появления на свет. Такое позднее развитие также наводит на размышления о генетических и молекулярных механизмах, управляющих этим процессом. Что служит сигналом к началу скручивания? Какие белки и клеточные структуры направляют этот морфогенез? Ответы на эти вопросы — дело будущих исследований.

Рис. 5. Развитие зрительного нерва у хамелеона Chamaeleo calyptratus. Слева — стадии онтогенеза; в центре и справа — развитие мозга и зрительного нерва на соответствующих стадиях, вид сбоку и сверху соответственно. Рисунок из обсуждаемой статьи

Вообще, у позвоночных с большими глазами есть две противоположные стратегии поиска пищи и отслеживания потенциальной угрозы. У сов и некоторых древесных млекопитающих (например, у лемуров) большие глаза с короткими зрительными нервами, низкая подвижность глаз и высокая подвижность шеи. У хамелеонов, напротив, большие глаза, длинные зрительные нервы, высокая подвижность глаз и низкая подвижность шеи. Низкая подвижность шеи в сочетании с преимущественно неподвижной позой могли привести к такому эволюционному исходу, при котором глаза стали очень подвижными, а их движения — асинхронными. При таком поведении спиральное строение зрительного нерва кажется идеальным способом снизить ограничение, накладываемое его длиной на подвижность глаза.

У всех других изученных рептилий соотношение длины зрительных нервов и расстояния от перекреста нервов до глаза ближе к единице. У большинства видов зрительные нервы прямые, однако выяснилось, что у некоторых игуанообразных (помимо хамелеонов) и гекконообразных зрительные нервы все же обладают некоторой извилистостью, в отличие от других ящериц. Анолисы и некоторые гекконы используют визуальные сигналы и активно двигают глазами во время взаимодействия с другими особями (R. Regaldo, 2012. Social behavior of dwarf geckos (Sphaerodactylus): a comparative repertoire). Среди рассмотренных видов Sphaerodactylus nicholsi демонстрируют самое высокое соотношение длины нерва к линейному расстоянию до глаза: их зрительные нервы имеют короткую, расположенную непосредственно перед перекрестом спираль. Эти гекконы отличаются бинокулярным зрением и способностью поворачивать глаза вперед (B. Röll, 2001. Gecko vision—retinal organization, foveae and implications for binocular vision). Вероятно, это пример конвергентной эволюции с хамелеонами, хотя относительная длина нервов у последних значительно больше.

Функционально аналогичные адаптации отмечены в зрительных нервах крыс. Аксоны их нервов имеют так называемые «волнистые волокна», которые позволяют нервам «растягиваться» (G. Jeffery, 1996. PNS features of rodent optic nerve axons), но в зрительном нерве хамелеона таких волокон не обнаружено (M. Bennis et al., 2001. A Quantitative Ultrastructural Study of the Optic Nerve of the Chameleon). Сама спиральная закрутка глазного нерва также встречается и у других животных, но не связана с подвижностью глаз. Так у мальков глубоководной рыбы идиаканта глаза выпуклые и выпирают наружу, а при дальнейшем развитии они погружаются в голову, при этом нерв сворачивается по спирали (W. Beebe, 1933. New Data on the Deep Sea Fish Stylophthalmus and Idiacanthus). Обратная ситуация происходит в процессе полного превращения у стебельчатоглазых мух (см. картинку дня Глаза и усики на стебельках): на стадии куколки длинные спирально-свернутые зрительные нервы расправляются и это позволяет быстро нарастить длину глазных стебельков (E. Buschbeck, R. Hoy, 2005. The development of a long, coiled, optic nerve in the stalk-eyed fly Cyrtodiopsis whitei).

Значение открытия трудно переоценить. Оно демонстрирует, что даже в, казалось бы, хорошо изученных группах организмов можно обнаружить кардинально новые анатомические черты, меняющие понимание их биологии. Спиральный нерв — это центральный элемент, позволивший хамелеонам занять их уникальную экологическую нишу. Без такого адаптивного решения их стереоскопическое зрение, необходимое для точного определения расстояния до добычи перед выстрелом языка, и постоянный панорамный обзор были бы попросту невозможны без риска тяжелых неврологических повреждений. Все это наводит на мысль: сколько еще подобных «спиралей» скрывается в природе, ожидая внимательных исследователей?

Источник: Emily Collins, Aaron M. Bauer, Raul E. Diaz Jr., Alexandra Herrera-Martínez, Esteban Lavilla, Edward L. Stanley, Monte L. Thies & Juan D. Daza. A new twist in the evolution of chameleons uncovers an extremely specialized optic nerve morphology // Scientific Reports. 2025. DOI: 10.1038/s41598-025-20357-3.

Григорий Иванов