Благодаря растущим преимуществам секвенирования ДНК биологи из Университета Цинциннати разгадывают множество эволюционных тайн, стоящих за сложным миром паучьего зрения.
Внимательное изучение загадочной генетической схемы развития и функционирования этих гляделок помогает исследователям увидеть большие возможности для будущих исследований. Новые исследования могут включать генную терапию у людей с такими проблемами зрения, как дегенерация желтого пятна или рак сетчатки.
Чтобы получить эти возможности, такие ученые, как Натан Морхауз, доцент кафедры биологии Калифорнийского университета, должны были заглянуть на 500 миллионов лет назад, во время, называемое кембрийским периодом, чтобы представить эволюцию генов паучьего глаза в перспективе.
Мы обнаружили, что мы переходим от мягкотелых древних водных членистоногих без глаз или, по крайней мере, глаз, которые плохо окаменевают, к глазам, которые выглядят как глаза, которые мы видим у насекомых и на суше. животных сегодня, практически ничего между этими этапами», - говорит Морхауз.
И под "внезапно" Морхауз говорит о небольшом эволюционном периоде в 50 миллионов лет.
"Но для летописи окаменелостей 50 миллионов лет - это очень короткий срок, чтобы перейти от отсутствия глаз к глазам, как сегодня", - добавляет он.
Несмотря на то, что примитивные пауки и насекомые пришли на сушу как две совершенно отдельные группы, они, вероятно, унесли с собой некоторые из тех же моделей развития для построения своих глаз.
«Мы можем использовать новые генетические данные насекомых в качестве отправной точки для выявления важных генов, которые контролируют развитие глаз у пауков», - говорит Морхауз. «Это побудит биологов-пауков и людей, обычно интересующихся зрением, задуматься о новых способах улучшения зрения. Мы еще не совсем готовы с точки зрения инженерных решений для создания органических глаз, но, надеюсь, это в нашем будущем».
Морхаус представил свои выводы о генетике развития паучьего зрения на конференции Общества интегративной и сравнительной биологии 2018 года в Сан-Франциско в январе.
Это исследование также является частью более крупного проекта, недавно опубликованного в журнале The Biological Bulletin под названием «Молекулярная эволюция паучьего зрения: новые возможности, знакомые игроки» Морхауса; Эльке Бушбек, профессор биологии Калифорнийского университета; Даниэль Зурек, научный сотрудник отдела биологии Калифорнийского университета и исследователи из Гавайского университета в Маноа.
Фантастическое предвидение
Это совместное исследование помогает описать основы того, как пауки эволюционировали от древнего членистоногого со сложным глазом с большим количеством фасеток - шестиугольных светочувствительных единиц, составляющих сложный глаз, - к нескольким глазам с несколько граней.
Один из способов, которым они это делают, говорят исследователи, состоит в том, чтобы взять кучу граней или зрительных клеток и просто наложить на них линзу. Другой способ - взять одну грань и просто увеличить ее, а затем добавить больше светочувствительных клеток внизу во время эмбрионального развития.
«Мы думаем, что в кембрийский период, более 500 миллионов лет назад, у древних членистоногих было два больших сложных глаза, несколько похожих на современных плодовых мушек», - говорит Бушбек. «Но в какой-то эволюционный момент и время у пауков сложный глаз, вероятно, разделился на одну пару медиальных или центральных глаз спереди и пару боковых сложных глаз, расположенных по бокам головы. Но, судя по обнаруженным нами доказательствам, они могли сохранить древнюю сеть генов для своего создания».
Хотя известно, что насекомые и пауки эволюционировали в одно и то же время в течение кембрийского периода, Морхауз говорит, что они оказались в совершенно разных местах. Они использовали один и тот же базовый набор инструментов для создания своих глаз, но точные детали генов немного отличаются.
«Годы тщательной генетики развития показали нам, как плодовые мушки построили свои сложные глаза и медиальные глаза - или глазки - из сетей взаимодействующих генов», - говорит Морхауз. «Итак, мы посмотрели, играют ли эти гены точно такую же роль у пауков или роли изменились. И у пауков мы действительно находим тот же самый план, по крайней мере, в черновой копии!»
Визуальный план
Это явление также представляет собой критическое последствие для миниатюрных восьмиглазых тварей, поскольку Морхауз говорит, что они не могут добавить больше фоторецепторных клеток к своей сетчатке после того, как линза надета сверху. Присмотревшись к развивающимся клеткам сетчатки, исследователи обнаружили, что пауки строят свои глаза как маленькие эмбрионы со всеми клетками сетчатки, которые им когда-либо понадобятся, а затем надевают на них линзы.
Так как же они решают проблему наличия большого количества клеток сетчатки, плотно упакованных в голову размером в одну десятую размера взрослого паука?
Оказывается, что в плотно упакованных ячейках содержится больше маленьких пикселей, чем может разрешить их линза, что приводит к выборке одной и той же точки пространства много раз, а не один раз. Но крошечным осьминогам, возможно, придется выполнять необычные оптические трюки, чтобы обработать свое размытое зрение. Исследователи говорят, что это не самый «умный» способ создания глаза. Разработчики камер пытаются согласовать разрешение сенсора камеры с разрешающей способностью объектива.
«Одним из самых захватывающих открытий здесь является то, что, поскольку мы понимаем генетическую основу того, как они строят эти глаза, мы можем понять, почему они делают такие вещи, как помещают все эти клетки сетчатки в это крошечное животное», - говорит Морхауз.«То, что кажется глупой идеей с чисто визуальной точки зрения, оказывается частью плана этого членистоногого, которому 500 миллионов лет».
Чтобы понять сложное генетическое развитие, требуются фундаментальные исследования, но исследователи говорят, что они открывают действительно интересные возможности для будущих биотехнологий.
Пучеглазые младенцы
"Мы бы никогда не подсчитали количество клеток сетчатки у этих крошечных молодых особей, если бы не заподозрили это на раннем этапе", - добавляет он.
Несмотря на недостаточный размер и переполненность клеток, исследователи обнаружили, что молодые особи делают многие из сложных вещей, которые могут делать их старшие братья, например, различают разные виды добычи, такие как комар и муха..
Хотя Морхауз описывает это исследование как начальный этап понимания преимуществ и недостатков построения глаз таким способом, он видит большие возможности для имитации крошечных зрительных систем для создания сенсоров меньшего размера, чем те, которые обычно используются сегодня.
Если нам нужно построить линзу, которая будет крошечной, меньше любого датчика прямо сейчас и достаточно маленькой, чтобы ее можно было легко проглотить в качестве таблетки для эндоскопической работы, возможно, эти пауки могут привести к биотехнологиям, которые мы никогда не представляли, - говорит Морхауз.
"Эти пауки сделали очень умные вещи со своими хрусталиками, формой сетчатки и размером клеток сетчатки, которые помогают им преодолевать невероятные трудности."
Другие удивительные открытия выявили уникальные закономерности гибели клеток сетчатки у молодых пауков. Когда клетки сетчатки умирают, они с гораздо большей вероятностью умирают в центре сетчатки, чем на периферии, что, по словам исследователей, именно то, что происходит с людьми с возрастом и проблемой дегенерации желтого пятна.
«Поскольку мы наблюдаем такие изменения, происходящие у пауков-прыгунов, которых кормят плохой диетой, мы можем обнаружить вещи, которые помогут нам лучше понять дегенерацию желтого пятна и другие проблемы, связанные с человеком», - говорят Морхаус и Бушбек.
Паучье зрение на Марсе
Хотя этот проект по-прежнему считается фундаментальной наукой, Морхауз объясняет, что фундаментальная наука ограничена только творчеством природы.
Он указывает на марсоход как на пример использования оптики, вдохновленной зрением прыгающих пауков. Предыдущее исследование показало, как пауки-прыгуны достигают большей остроты зрения благодаря небольшой зрительной системе, перемещая датчик вокруг своей линзы. Это вдохновило НАСА на создание сенсора для марсохода, который перемещается за объективами его камер и теперь обеспечивает лучшее изображение на Марсе.
«Мы использовали информацию о древней истории пауков для поиска генов, которые участвуют в зрении, и мы обнаружили, что многие из наших обоснованных предположений верны», - говорит Морхауз. «Существует генетическое сходство у насекомых, которое также предсказуемым образом используется у пауков. Это открывает целый ряд новых работ, чтобы понять, как зрение паука, хотя и уникальное, может быть похоже или отличаться от того, что мы знаем из зрения млекопитающих, таких как наше собственное..
«Действительно, в результате работы над плодовыми мушками есть идеи, которые помогли здоровью человека, поэтому вполне возможно, что следующее, что мы узнаем о человеческом зрении, исходит от пауков».