Эволюция генетической основы зрения пауков: от древних членистоногих к биотехнологиям будущего

Используя современные методы секвенирования ДНК, биологи из Университета Цинциннати исследуют эволюцию зрения пауков. Понимание генетических механизмов, лежащих в основе развития их глаз, открывает перспективы для будущих исследований, включая возможную генную терапию для людей с проблемами зрения, такими как дегенерация желтого пятна или рак сетчатки.

Взгляд в прошлое: 500 миллионов лет

Чтобы понять эволюцию генов зрения пауков, ученые, такие как доцент Нейтан Морхаус, обратились к Кембрийскому периоду (около 500 млн лет назад).

• Переход от мягкотелых водных членистоногих без глаз (или с глазами, которые не сохранились) к глазам, похожим на современные, занял всего около 50 млн лет — очень короткий срок по меркам палеонтологической летописи.
• Хотя пауки и насекомые вышли на сушу независимо, они, вероятно, унаследовали от общего предка сходные генетические "инструкции" для построения глаз.
• Исследование, опубликованное в журнале The Biological Bulletin, показывает, что можно использовать генетические данные о насекомых (например, плодовой мушки Drosophila) как отправную точку для поиска ключевых генов, контролирующих развитие глаз у пауков.

Древний генетический "чертеж"

Исследователи предполагают, что у древних членистоногих были два больших фасеточных глаза. В ходе эволюции у пауков этот глаз, вероятно, разделился на пару медиальных (центральных) глаз спереди и пару боковых глаз по бокам головы.

• Критически важно, что пауки сохранили древнюю сеть генов для их построения.
• "В пауках мы действительно находим тот же самый "чертеж", по крайней мере, в грубом приближении!" — говорит Морхаус.

Этот "чертеж" имеет важное следствие: пауки не могут добавить новые фоторецепторные клетки в сетчатку после того, как хрусталик уже сформирован. Поэтому все клетки сетчатки закладываются на эмбриональной стадии, а хрусталик формируется поверх них.

Проблема миниатюризации и неожиданные решения

У крошечных пауков (особенно молодых) огромное количество клеток сетчатки плотно упаковано в голове, размер которой в 10 раз меньше, чем у взрослой особи. Это приводит к тому, что клеток ("пикселей") больше, чем может разрешить хрусталик, вызывая "размытое" зрение.

• Хотя такой подход не самый "умный" с инженерной точки зрения (в камерах разрешение сенсора стараются согласовать с возможностями объектива), он является частью древнего генетического плана.
• Несмотря на этот недостаток, молодые пауки способны на сложные задачи, например, различать типы добычи (комар vs муха).

Исследователи также обнаружили уникальные паттерны гибели клеток сетчатки у молодых пауков: клетки чаще отмирают в центре сетчатки, чем на периферии. Это аналогично тому, что происходит у людей с возрастом при дегенерации желтого пятна (макулодистрофии). Изучение этого процесса у пауков, получающих скудный рацион, может помочь лучше понять человеческие заболевания.

От пауков к биотехнологиям и Марсу

Это фундаментальное исследование открывает возможности для биотехнологий:

• Миниатюрные сенсоры: Понимание того, как пауки решают проблему крошечных зрительных систем, может привести к созданию сенсоров меньше любых существующих сегодня, например, для эндоскопии в виде таблетки.
• Вдохновение для инженерии: Пауки проявили "изобретательность" в форме хрусталиков, сетчатки и размере клеток, чтобы преодолеть ограничения миниатюризации.
• Пример с Марсом: Оптическая система марсохода NASA была вдохновлена зрением пауков-скакунов, которые повышают остроту зрения, перемещая сенсор (сетчатку) за линзой. Аналогичный подвижный сенсор теперь обеспечивает лучшее изображение на Марсе.

"Вполне возможно, что следующее открытие о человеческом зрении придет от пауков", — заключает Морхаус.