Ученые узнали, как мечехвост видит сквозь свой панцирь

Мечехвосты — группа крупных морских беспозвоночных, представленная всего несколькими ныне живущими видами. Они имеют массивный панцирь (экзоскелет) и хвостовой шип угрожающего вида, особенно когда в период размножения выходят на берег большими скоплениями. В действительности для человека эти существа безопасны и даже приносят пользу, поскольку мечехвостов собирают на берегу тоннами и используют как корм для скота, удобрение и при научных исследованиях.

Мечехвосты отдаленно напоминают крабов: по-английски их так и называют — «краб-подкова» (horseshoe crab). Однако на деле эти диковинные животные гораздо ближе к паукам и скорпионам, с которыми их объединяют в один тип — хелицеровые.

Мечехвостов относят к живым ископаемым, поскольку их облик мало изменился с палеозойской эры, когда они впервые появились на Земле. Одной из уникальных черт этих беспозвоночных считают глаза, которые не раз привлекали внимание биологов.

Теперь авторы новой статьи в журнале Advanced Science разобрались в устройстве органа зрения мечехвоста Limulus polyphemus со всеми подробностями. Как и положено членистоногому (тем более ведущему активный образ жизни), мечехвост имеет сложные глаза. В них острота зрения достигается за счет объединения ряда простых глазков, которые работают как линзы и собирают свет под различными углами и передают к светочувствительным клеткам.

«Сложные глаза стали ответом природы на необходимость в расширении поля зрения на основе маленького по размеру глаза. С той же проблемой сталкиваются создатели современных камер, которые стремятся сделать их все более и более маленькими, в то же время сохраняя угол обзора более 90 градусов», — рассказал профессор Йел Полити (Yael Politi), руководитель исследования из Технического университета Дрездена (Германия).

Сложные глаза мечехвостов довольно примитивны, зато относятся к наиболее крупным. Но самое главное: они сильно отличаются от глаз мух, пауков или креветок. Дело в том, что у «обычных» членистоногих простые глазки (из которых собраны фасетки глаза) состоят из стекловидных белков. Однако эволюция мечехвостов пошла другим путем, в итоге эти морские животные смотрят на мир через кутикулу — внешнюю оболочку, которая также покрывает их панцирь и ноги.

Кутикула членистоногих представляет собой прочный и гибкий биологический композит, состоящий из белков и хитина — крупного углеводного полимера. Кутикула обладает рядом уникальных физических характеристик и может различаться по химическому составу, так что разные беспозвоночные используют ее по-своему.

Яркий пример применения кутикулы «не по назначению» — как раз уникальные глаза мечехвостов. Внешняя прозрачная оболочка их глаза (роговица) сложена сотнями направленных внутрь вытянутых конусов из кутикулы. Это настоящие линзы, концентрирующие свет на светочувствительных клетках.

Авторы исследования использовали рентгеноструктурный анализ и моделирование роговицы мечехвоста, а также с высоким разрешением установили индекс преломления света в ней. Оказалось, кутикула здесь имеет особую архитектуру: она образована сочетанием хитина и белков с включениями брома, что создает оптимальный градиент оптических свойств. В результате получается матрица, в которой молекулы сшиты между собой, одни области содержат больше воды, чем другие, и есть множество пор.

Удивительно, но, казалось бы, примитивный глаз мечехвоста по-разному работает при прямом освещении и при падении лучей под острым углом. Уникальные оптические свойства его роговицы определяются иерархией уровней организации и соответствующих физических эффектов.

«В конце работы нас особенно удивило то, что кутикулярные линзы, видимо, настолько хорошо работают, что животному даже пришлось вырабатывать особый пигмент, который уменьшает поток собранного ими света», — подытожил профессор Полити.