Группа международных биологов пришла к выводу, что глубоководные рыбы не следуют общепринятым закономерностям развития зрения у позвоночных. Их личинки используют необычные клетки-гибриды: они напоминают палочки, но имеют структуру колбочек, не дожидаясь формирования полноценных светочувствительных рецепторов, предназначенных для зрения в условиях слабого освещения.
Раньше полагалось, что развитие глаз у всех позвоночных проходит по схожей схеме: в первую очередь формируются колбочки, обеспечивающие дневное и цветное зрение, а затем – палочки, отвечающие за черно-белое зрение в условиях слабого освещения. Такая последовательность кажется вполне обоснованной для наземных животных или рыб, обитающих в неглубоких водах, поскольку они начинают свою жизнь в условиях солнечного света.
Для глубоководных рыб это утверждение порождает противоречие. Их личинки появляются на свет в сумеречной зоне океана (мезопелагиали), где привычные колбочки, чувствительные к свету, оказываются неэффективными из-за его недостатка, а палочки еще не развились. Но как выживают мальки в условиях темноты, не имея подходящих средств?
Авторы исследования, опубликованного в журнале Science Advances, изучили развитие трех видов глубоководных рыб: рыбы-светляка ( Vinciguerria), рыбы-топорика (Maurolicus) и светящегося анчоуса (Benthosema).
Для изучения физической структуры фоторецепторов сетчатки ученые применили метод электронной микроскопии. Одновременно с этим они использовали транскриптомику для анализа РНК, что позволило им определить, какие гены (белки-опсины) активны в этих клетках на текущий момент.
В ходе анализа был обнаружен ранее не идентифицированный тип клеток – «трансмутировавшие» фоторецепторы. Это биологические химеры, объединяющие характеристики двух различных типов зрительных клеток. Внешний вид этих клеток напоминает палочки: они обладают длинным цилиндрическим сегментом, что расширяет площадь для поглощения света и обеспечивает возможность улавливания малочисленных фотонов в условиях низкой освещенности. Однако внутри этих клеток функционируют гены и биохимические процессы, свойственные зрению при дневном свете. В частности, там происходит синтез белков опсинов Rh2, которые не встречаются в палочках.
Благодаря этому сочетанию личинки обладают повышенной светочувствительностью, свойственной палочкам, и одновременно способны к быстрому восстановлению после воздействия яркого света, как колбочки).
У разных видов эти гибриды обрели различную судьбу. У рыб-светлячков и анчоусов с возрастом и миграцией в более глубокие слои воды гибридные клетки постепенно замещаются типичными палочками. А у рыбы-топорика ( Maurolicus) эти «ложные палочки» сохраняются на протяжении всей жизни. Их сетчатка на 99% состоит из клеток, внешне напоминающих палочки, но генетически являющихся колбочками.
Новое открытие демонстрирует поразительную гибкость эволюционных процессов. Для приспособления к постоянной темноте природе не потребовалось создавать глаз с нуля. Вместо этого она преобразовала дневные светочувствительные клетки в ночные, что позволило личинкам выживать в условиях почти полной темноты.