У животных есть два типа светочувствительных клеток: ресничные и рабдомерные. В ресничных клетках светочувствительные пигменты находятся на видоизмененных волосках-ресничках, а в рабдомерных — на микроворсинках, многочисленных складках клеточной мембраны. У первичноротых животных (например, насекомых и моллюсков) глаза образуются из наружных покровных тканей (эпидермиса) и состоят исключительно из рабдомерных клеток. Ресничные клетки у них спрятаны глубоко в мозге.
У позвоночных все устроено иначе: глаза не формируются из кожи, а выпячиваются напрямую из стенки эмбрионального мозга (нервной трубки). При этом сетчатка представляет собой генетическую «химеру»: свет в ней ловят ресничные палочки и колбочки, но сигнал в мозг они передают через рабдомерные нейроны. Долгое время биологи не могли объяснить, почему две чужеродные эволюционные линии объединились в одном органе.
Авторы обзорной статьи, опубликованной в журнале Current Biology, объединили данные молекулярной филогенетики, палеонтологии и анатомии, чтобы раскрыть механизм этого эволюционного парадокса. Ученые проанализировали результаты секвенирования РНК одиночных клеток у мышей и древнейших из ныне живущих рыб (миног). Они сопоставили транскриптомные профили клеток современной сетчатки с клетками шишковидной железы (эпифиза) — эндокринного органа, который у некоторых современных рептилий и амфибий до сих пор функционирует как непарный «третий глаз».
Анализ показал, что около 560 миллионов лет назад предки позвоночных (вторичноротые) перешли к донному образу жизни. Зарываясь в ил для фильтрации пищи, они полностью утратили первичные боковые глаза. От зрительной системы остался лишь непарный теменной орган, помогавший оценивать глубину погружения и отличать день от ночи. В нем уже присутствовали и ресничные, и рабдомерные клетки, но они работали независимо друг от друга.
Когда более поздние хордовые вернулись к активному плаванию и охоте, эволюция не стала воссоздавать эпидермальные глаза с нуля. Вместо этого срединный мозговой зрительный орган разделился и сместился на бока головы, став основой для сетчатки, а его остаток в центре мозга превратился в шишковидную железу. Глаза позвоночных как бы проросли из мозга в ходе эволюции.
В древнем теменном органе ресничные и рабдомерные клетки работали независимо друг от друга. Чтобы превратить его в полноценную сетчатку, эволюции потребовалось связать их в единую электрическую цепь. На эту роль подошли древние моторные клетки, которые когда-то просто перемешивали спинномозговую жидкость с помощью биения ворсинок. Теперь потомки этих клеток, биполярные нейроны, принимают сигнал от палочек и колбочек и передают его зрительному нерву.
Интересно, что шишковидная железа, родственница наших глаз, хотя больше и не улавливает свет напрямую, но реагирует на зрительные сигналы. Она вырабатывает гормон мелатонин и регулирует суточные ритмы организма, управляя нашими циклами сна и бодрствования.