07 июля 2008, 17:17 Наука Размер текста А А А

Нематоды видят телом

Круглый червь C.elegans обладает примитивным зрением

Пётр Смирнов Родственник известных всем глистов, любимец генетиков C.elegans «обрёл способность» различать свет. Для этого не понадобилось вставлять в его полностью изученный геном какие-нибудь «глазные» гены. Да и глаза ему тоже не нужны: фоточувствительные клетки рассеяны по всей нервной системе – от головы до хвоста.

Миллионы лет эволюции довели строение круглых червей до «примитивного» совершенства. Жесткая, устойчивая к большинству известных токсинов и химических веществ кутикула, покрывающая их тело, позволила нематодам занять почти все «экстремальные» экологические ниши. Практически весь тип представлен паразитами всех возможных размеров – от весьма распространённых аскарид кишечника до филярий – микроскопических обитателей передней камеры глаза.

Понятно, что паразитам, за исключением вкуса и запаха, другие чувства особо и не нужны. Но даже свободноживущие виды всегда описывали как «обладающих относительно неразвитой нервной системой».

Последние исследования показывают обратное – свободноживущий круглый червь Caenorhabditis elegans, ставший в последнее время главным объектом генетических исследований многоклеточных животных, благодаря последней работе Шоня Сюя из Университета Мичигана «обрёл способность» видеть свет.

Нематоды круглые черви. Двусторонне-симметричные первичнополостные без настоящей сегментации животные с сильно вытянутым в длину и круглым в поперечнике телом. Длина от 80 мкм до 8 м; нитевидные или веретеновидные, реже бочонковидные или лимонообразные.

Тело покрыто гладкой или кольчатой кутикулой, под которой расположена гиподерма. Мускулатура из 1 слоя продольных мышечных клеток. Кровеносная и дыхательная системы отсутствуют. Нервная система – окологлоточное кольцо и отходящие от него продольные стволы. Органы чувств – осязательные щетинки и сосочки; некоторые свободноживущие формы имеют примитивные хемо- и фоторецепторы.

Пищеварительная система, начинаясь ротовой полостью, переходит в пищевод, затем в переднюю, среднюю и заднюю кишку, открывающуюся на заднем конце тела с брюшной стороны. Органы выделения – многочисленные одноклеточные железы или боковые внутриклеточные каналы. Как правило, раздельнополы; половая система парные трубки, состоящие у самок из яичников, яйцеводов, матки и влагалища, открывающегося половым отверстием на брюшной стороне тела; у самцов – из семенников, семяпроводов и семяизвергательного канала. Нематоды откладывают яйца, реже живородящи.

Известно около 500 тысяч видов паразитических и свободноживущих нематод. Последние большей частью малых размеров, обитают в почве, пресных водах и море, где численность их может превышать 1 миллион особей на 1 м3. Питаются бактериями, водорослями, детритом; есть и хищники. Некоторые нематоды способны к анаэробиозу и анабиозу. Многие нематоды — паразиты растений, животных и человека.

Эта работа стала продолжением экспериментов двухлетней давности, в которых та же исследовательская группа сообщила об умении этого червя осознавать положение своего веретеновидного тела в пространстве в дополнение к уже известным трём типам чувствительности – вкусовой, тактильной и обонятельной.

За все чувства червя отвечают всего лишь 302 нервные клетки взрослой особи.

Человеку этого не хватило бы даже на один вкус солёного или сладкого.

Плоские черви и кишечнополостные, от которых произошли «тупиковые» с точки зрения древа эволюции круглые черви, обладают достаточно развитыми органами зрения, а в случае медуз они даже повторяют строение человеческого глаза.

В свете этих работ, возможно, не так уж и удивительно, что способность реагировать на фотоны света сохранилась и у нематод, не обладающих никакими глазами, а при небольших размерах, как у C. elegans, даже полностью прозрачных. Обычной лампы хватило для того, чтобы заставить обитающего в земле червя убегать от исследователей. При этом не важно, с какой стороны на него светили – с головы или с хвоста. Посмотреть, как это животное способно «видеть» без глаз, можно на двух видеороликах, показывающих реакцию на освещение спереди и сзади.

Имеется ли такая способность у родственников C.elegans, обитающих в организме человека, – аскарид, исследователи не уточняют.

В природе фототаксис — а именно так называется реакция на свет — носит обычно противоположный характер: одноклеточные водоросли, обладающие примитивным глазком, движутся к свету. То же можно сказать про растения, для которых солнечный свет – единственный источник энергии.

Для C. elegans свет – напротив, показатель потенциальной опасности, ведь червь никогда не выходит на поверхность, где у него достаточно конкурентов и потенциальных врагов. Дополнительный фактор – действие ультрафиолета, при длительной выдержке повреждающего ткани прозрачного C. elegans. Возможно, поэтому способные чувствовать «переход» черви и были отобраны эволюцией.

Как показали тщательные эксперименты по возбуждению отдельных нейронов, червь может реагировать на фотоны разной длины волны, но наибольший эффект достигается именно при использовании ультрафиолетового источника света.

Кроме того, фоточувствительные нейроны рассеяны по всей нервной системе. Прицельно облучая отдельные клетки лазером, Сюй и соавторы принятой к публикации в Nature Neuroscience работы показали, что в роли фоторецепторов выступают 4 типа клеток: ASJ, AWB, ASK и ASH.

Отличительная особенность «зрительной системы» червя – отсутствие пигментных клеток, предохраняющих фоторецепторы от засвечивания.

Слепые видят синий день Природа оставила слепым людям возможность чувствовать смену дня и ночи. Как выяснили учные, за такое «слепое зрение» отвечает ганглионарный слой сетчатки, прежде считавшийся едва ли не атавизмом. Лучше всего он видит фотоны синего цвета, которые, как оказалось, очень хорошо регулируют биоритмы человека.

Свет для нас – это не только непосредственный источник и носитель зрительной информации. Это еще и регулятор жизненных циклов и даже катализатор биохимических реакций в коже. Причем для регуляции околосуточных (циркадных, циркадианных) ритмов, синхронизируемых центром в гипоталамусе, требуется исключительно «квантованная» бинарная информация по принципу есть/нет, вкл./выкл.

Такой биологический механизм есть даже у одноклеточных фотосинтезирующих водорослей, обладающих способностью двигаться по направлению к источнику света, а для них – и жизненной энергии. Это обеспечивается наличием простейшего светочувствительного «глазка». У многоклеточных сохраняется эта способность. Сначала на орган зрения была выделена одна из клеток, а затем он превратился в двуклеточные – из воспринимающей и подлежащей клетки, наподобие пигментного эпителия сетчатки глаз более развитых собратьев.

У человека зрительная информация составляет 97% от всей информации, регистрируемой органами чувств. Не удивительно, что наш глаз представляет из себя сложнейшую систему, причем особенно точно устроена его «воспринимающая» часть – сетчатка. Регистрирующие за счет пигмента свет клетки – палочки и колбочки – рассеяны по всей е поверхности. Они формируют нервный импульс, преобразуя энергию света в электрическую, а затем уже этот импульс передается сначала на коленчатые тела таламуса – подкорковый центр зрительного анализатора – и только потом в соответствующий центр коры больших полушарий.

Оказывается, наш глаз способен регистрировать и «незрительную» световую информацию, причем альтернативным способом.

Это выяснилось в результате наблюдения за абсолютно слепыми людьми, сохранившими способность воспринимать свет в качестве «незрительной» информации. Предварительные опыты на мышах также свидетельствуют в пользу различных механизмов восприятия «зрительной» и «незрительной» составляющих, поскольку даже в отсутствие палочек и колбочек они сохраняли способность синхронизировать циркадианные ритмы.

Выяснилось, что у млекопитающих за это отвечают клетки ганглионарного слоя сетчатки. Только в отличие от палочек, чувствительных ко всему диапазону волн видимого света, они больше похожи на колбочки, которые воспринимают только одну составляющую в зависимости от пигмента (синий, зеленый или красный).

Ганглионарные клетки регистрируют фотоны света с длиной волны около 480 нанометров, что соответствует видимой синей части спектра.

Для того чтобы изучить этот механизм у людей, Фархан Зайди из Имперского колледжа Лондона и его коллеги из Гарварда, Оксфорда и Университета имени Томаса Джефферсона подобрали пациентов с функционально сохранным ганглионарным слоем при утративших свои функции палочках и колбочках.

На самом деле гибель фоторецепторных клеток практически всегда влечет за собой и гибель ганглионарного слоя. Но ученым вс-таки удалось найти двух пациентов, ставших исключением. Именно благодаря им учным удалось выяснить роль незрительных рецепторов.

У первого пациента офтальмологи измеряли уровень секреции мелатонина в зависимости от уровня света, при этом сравнивая эффект от света с длиной волны 555 нм с влиянием света 480 нм, специфичного для ганглионарных клеток. Длина волны в 555 нанометров соответствует зелному цвету, эффективнее всего воспринимаемому палочками и колбочками и одновременно – и, вероятно, неспроста – максимуму в привычном спектре излучения Солнца.

Мелатонин – один из гормонов-регуляторов околосуточных ритмов, концентрация которого в крови повышается в дневное время. Как оказалось, возросла она и в ответ на свет с длиной волны в 480 нм, причем в несколько раз больше, чем на 555 нм. Более того, синий цвет стимулировал циркадианный центр гипоталамуса.

Вся его нервная система стала лучше и быстрее работать – уменьшилась задержка реакции и усилилась активность мозга. Все это произошло в ответ на синий свет, но не на самый воспринимаемый фоторецепторами зеленый.

У второй пациентки им удалось добиться «ощущения света». При разном освещении ее просили рассказать, чувствует ли она что-нибудь. Именно при синей лампе она отметила странное чувство света. Ученые интерпретируют эту способность ганглионарных клеток регистрировать освещение как альтернативу палочкам и колбочкам.

С физической точки зрения именно синий цвет и должен обладать таким свойством – ведь его фотоны обладают наибольшей энергией и могут донести информацию, когда остальные не достигли своей цели.

Гораздо интереснее биологический смысл этой системы, ведь это не просто рудимент или атавизм, доставшийся нам от первых многоклеточных с их простыми глазками. Это часть сложнейшей регуляции суточных ритмов, включающей гормональные перестройки, изменение активности мозга, работы центров кровоснабжения и дыхания. Хронобиологи даже в работах на растениях отмечают ключевую роль синего, а не какого-либо другого света в регуляции не только циркадианных, но и круглогодичных циклов.

Впрочем, как раз биологический смысл остался за рамками работы Зайди и его коллег. Возможно, дело в том, что синий цвет гораздо лучше рассеивается в атмосфере и оттого регулирование циркадианных ритмов не требует непосредственного нахождения под солнцем. Кроме того, свет этих длин волн гораздо интенсивней в спектре Луны, освещающей эволюцию всей жизни с самого е зарождения.

Учёные считают, что эту роль берёт на себя грязь и земля, а в случае других свободноживущих форм – ил, плохо пропускающий свет. Каскад реакций, развивающийся при взаимодействии фотона с фоторецептором в целом напоминает человеческий, что уже дало учёным надежду на использование С. еlegans в качестве модельного объекта для изучения человеческой слепоты.

Тем более что способность слабо реагировать на голубой и ультрафиолетовый свет у человека и других животных обеспечивается не основными чувствительными клетками сетчатки. Кроме того, отдельные нейроны, участвующие в регуляции околосуточных ритмов, тоже сохраняют такую способность.