Круглые черви «читают» длины волн в окружающей среде, чтобы избегать опасных бактерий, выделяющих цветные токсины

Новое исследование, опубликованное в журнале Science, показывает, что круглые черви, не имеющие глаз и светопоглощающих молекул для зрения, каким-то образом могут чувствовать цвет. Учёные предполагают, что черви используют эту способность для оценки риска поедания потенциально опасных бактерий, выделяющих синие токсины. Исследователи определили два гена, которые способствуют этой спектральной чувствительности и консервативны у многих организмов, включая человека.

«Поразительно, что крошечный червь — без глаз и молекулярного механизма, используемого глазами для обнаружения цветов — может идентифицировать и избегать токсичную бактерию, отчасти основываясь на её синем цвете», — говорит Х. Роберт Хорвиц, соавтор исследования.

Объект исследования, нематода Caenorhabditis elegans, имеет длину около миллиметра. Несмотря на простую нервную систему, эти черви демонстрируют сложный набор поведенческих реакций. Хотя раньше считалось, что они живут глубоко в почве, становится ясно, что C. elegans предпочитает компостные кучи на поверхности, где есть некоторое воздействие солнца. Следовательно, у них может быть потребность в способности ощущать свет и цвет.

В разлагающейся органике, где обитает C. elegans, есть множество микробов, включая бактерии Pseudomonas aeruginosa, которые выделяют характерный синий токсин. Ранее было показано, что черви в лаборатории несколько часов питаются P. aeruginosa, а затем начинают избегать её — возможно, из-за накопления токсина.

Постдок Дипон Гош, первый автор исследования, заметил, что черви чаще покидают цветной бактериальный «газон», если он освещён белым светом от светодиодной лампы. Чтобы проверить роль цвета, он заменил синий токсин на безвредный краситель того же цвета, а затем на бесцветный токсин. Сами по себе эти замены не вызывали избегания. Только вместе они провоцировали реакцию, что говорит об одновременной оценке червями и токсичности, и цвета выделений P. aeruginosa. И вновь это поведение проявлялось только в присутствии белого света.

Затем Гош использовал два цветных светодиода (синий и янтарный), чтобы контролировать соотношение длин волн, не меняя общую энергию света. Черви покидали бактериальный газон только при освещении средой с определённым соотношением синего и янтарного света.

«Мы смогли определённо показать, что черви воспринимают мир не в оттенках серого, просто оценивая уровень яркости. Они фактически сравнивают соотношения длин волн и используют эту информацию для принятия решений — это было совершенно неожиданно», — говорит Гош.

Позже выяснилось, что популярный лабораторный штамм C. elegans менее чувствителен к цвету по сравнению с дикими родственниками. Анализ геномов позволил идентифицировать два гена (jkk-1 и lec-3), влияющих на эти различия в цветозависимом пищевом поведении.

Оба гена выполняют множество важных функций у разных организмов, включая человека, и участвуют в молекулярных путях, помогающих клеткам реагировать на стресс, вызванный повреждающим ультрафиолетовым светом.

«Мы обнаружили, что цвет света в среде червя может влиять на то, как он ориентируется в мире. Но наша работа предполагает, что многие гены, помимо двух уже идентифицированных, могут влиять на цветовую чувствительность, и мы сейчас изучаем, как именно», — отмечает Гош.

Лесли Восшалл, не участвовавшая в исследовании, называет способность червей чувствовать цвет «ошеломляющей» демонстрацией инноваций природы.

«Эти черви скользят в тусклой грязи с цветными токсичными бактериями. Было бы полезно видеть и избегать их, поэтому черви каким-то образом развили совершенно новый способ видеть».

Исследование показывает, что чувствительность к свету не всегда требует зрения или глаз.