Органы зрения у людей и других позвоночных возникли из единого, расположенного на верхней части тела светочувствительного образования, характерного для древних хордовых. Исследования показали, что у наших предков первоначальная способность видеть исчезла в процессе перехода к подземному образу жизни. После того как вновь возникла необходимость в зрении, эволюция привела к разделению этого глаза на две части и их смещению к боковым областям головы.
У животных различают два вида светочувствительных клеток: ресничные и рабдомерные. В ресничных клетках светочувствительные пигменты располагаются на модифицированных волосковидных структурах, а в рабдомерных — на микроворсинках, представляющих собой многочисленные складки клеточной мембраны. Глаза первичных ротовых животных, таких как насекомые и моллюски, формируются из наружных покровных тканей (эпидермиса) и состоят только из рабдомерных клеток. Ресничные клетки у них находятся глубоко в головном мозге.
У позвоночных наблюдается иная организация: глаза не образуются из кожи, а формируются путем выпячивания непосредственно из стенки эмбрионального мозга (нервной трубки). При этом сетчатка является генетической «химерой»: в ней светочувствительные клетки – палочки и колбочки – улавливают свет, но передают сигнал в мозг посредством рабдомерных нейронов. На протяжении длительного времени биологи не могли найти объяснения тому, почему две различные эволюционные линии объединились в едином органе.
Авторы обзорной статьи, опубликованной в журнале Current Biology, для объяснения эволюционного парадокса исследователи объединили информацию, полученную с помощью молекулярной филогенетики, палеонтологии и анатомии. В ходе работы ученые проанализировали результаты секвенирования РНК отдельных клеток мышей и древнейших 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 по-прежнему выполняет функцию непарного «третьего глаза».
Согласно проведенному анализу, приблизительно 560 миллионов лет назад предки позвоночных (вторичноротые) начали вести донный образ жизни. Зарываясь в осадок для добычи пищи, они окончательно потеряли боковые глаза. Зрительная система была редуцирована до непарного теменного органа, который позволял определять глубину и различать светлое и темное время суток. В его структуре уже присутствовали и ресничные, и рабдомерные клетки, однако они функционировали раздельно.
По возвращении более поздних хордовых к активному плаванию и охоте, эволюция не воспроизводила эпидермальные глаза заново. Вместо этого срединный мозговой зрительный орган разделился и переместился к бокам головы, став предшественником сетчатки, а его остаток в центре мозга трансформировался в шишковидную железу. Таким образом, глаза позвоночных, казалось бы, развились из мозга в процессе эволюции.
В ранней стадии развития теменного органа ресничные и рабдомерные клетки функционировали обособленно. Для формирования полноценной сетчатки эволюции потребовалось объединить их в единую электрическую цепь. Для этой роли были задействованы древние моторные клетки, которые ранее выполняли функцию перемешивания спинномозговой жидкости посредством движений ворсинок. В настоящее время их потомки, биполярные нейроны, получают сигнал от палочек и колбочек и передают его зрительному нерву.
Замечательно, что шишковидная железа, имеющая родственные связи с глазами, хоть и не воспринимает свет непосредственно, реагирует на зрительные импульсы. Она производит гормон мелатонин и регулирует суточные биоритмы, контролируя наши циклы сна и бодрствования.