Эволюция глаз у позвоночных

Глаза человека и других позвоночных произошли от единственного светочувствительного органа, который у ранних хордовых находился на верхней части головы. Исследования показали, что предки позвоночных полностью утратили первоначальное зрение при переходе к роющему образу жизни. Позже, когда возникла необходимость в зрении, эволюция разделила этот орган на две части и переместила их по бокам головы.

Типы светочувствительных клеток

У животных существуют два основных типа светочувствительных клеток: ресничные и рабдомерные. В ресничных клетках пигменты располагаются на видоизменённых ресничках, а в рабдомерных — на многочисленных складках клеточной мембраны. У первичноротых животных, таких как насекомые и моллюски, глаза формируются из наружных покровов (эпидермиса) и состоят только из рабдомерных клеток, тогда как ресничные клетки находятся глубоко в мозге.

Особенности глаз позвоночных

У позвоночных глаза формируются не из кожи, а из стенки эмбрионального мозга. Сетчатка представляет собой генетическую «химеру»: свет воспринимают ресничные палочки и колбочки, а сигнал в мозг передаётся через рабдомерные нейроны. Долгое время оставалось неясным, почему в одном органе сочетаются две разные эволюционные линии.

Исследования происхождения глаз

Для изучения этого вопроса были объединены данные молекулярной филогенетики, палеонтологии и анатомии. Анализировались результаты секвенирования РНК отдельных клеток у мышей и древних рыб (миног). Сравнивались транскриптомные профили клеток современной сетчатки и клеток эпифиза — эндокринного органа, который у некоторых современных рептилий и амфибий функционирует как непарный «третий глаз».

Эволюционные этапы

Около 560 миллионов лет назад предки позвоночных перешли к донному образу жизни, зарываясь в ил для фильтрации пищи, что привело к утрате боковых глаз. Сохранился только непарный теменной орган, который помогал определять глубину погружения и различать день и ночь. В этом органе присутствовали оба типа светочувствительных клеток, но они функционировали независимо.

Когда поздние хордовые вернулись к активному плаванию и охоте, эволюция не стала заново формировать глаза из эпидермиса. Вместо этого срединный мозговой зрительный орган разделился и сместился по бокам головы, став основой для сетчатки, а его остаток в центре мозга превратился в шишковидную железу. Таким образом, глаза позвоночных сформировались из мозговой ткани.

Формирование сетчатки

В древнем теменном органе ресничные и рабдомерные клетки работали независимо. Для образования полноценной сетчатки эволюции потребовалось объединить их в единую электрическую цепь. Эту функцию взяли на себя древние моторные клетки, которые ранее перемешивали спинномозговую жидкость с помощью ворсинок. Их потомки — биполярные нейроны — теперь принимают сигнал от палочек и колбочек и передают его зрительному нерву.

Роль шишковидной железы

Шишковидная железа, родственница глаз, хотя и не воспринимает свет напрямую, реагирует на зрительные сигналы. Она вырабатывает гормон мелатонин и регулирует суточные ритмы организма, контролируя циклы сна и бодрствования.