Кислород определил эволюцию глаза

Новые механизмы снабжения сетчатки кислородом напрямую связаны с улучшением функциональной анатомии глаза.

Исследователи из Орхусского университета и восьми международных институтов в статье в eLife изучили физиологические требования для эволюции улучшенного зрения.

Они утверждают, что эволюция зрения с высокой остротой у предковых животных была ограничена способностью доставлять достаточно кислорода к клеткам сетчатки. Их исследование выявило увлекательную закономерность: механизмы улучшения снабжения сетчатки кислородом эволюционировали параллельно с улучшением её морфологии для улучшения зрения. Эта модель применима ко всем костным позвоночным — от рыб до птиц и млекопитающих.

Взлёты и падения снабжения сетчатки кислородом

Исследование использовало разнообразие физиологии и анатомии глаз у 87 видов животных, включая рыб, амфибий и млекопитающих. Расположив виды на древе жизни, авторы восстановили эволюционную историю глаза от вымершего 425 миллионов лет назад предка современных позвоночных до нынешних животных.

Они выявили три различных физиологических механизма снабжения сетчатки кислородом, которые всегда связаны с улучшением зрения:

• У рыб мутации в гемоглобине позволили доставлять кислород к сетчатке при исключительно высоком парциальном давлении, чтобы преодолеть значительную дистанцию диффузии. Возникновение этого механизма около 280 миллионов лет назад совпало с резким увеличением размера глаза и толщины сетчатки, что напрямую улучшило светочувствительность и пространственное разрешение. Позже этот механизм был утрачен несколько раз, возможно, чтобы избежать окислительного повреждения и образования газовых пузырьков в глазу.

Теплокровные динозавры сформировали зрение млекопитающих

Авторы показывают, что возросшая зависимость от зрения у млекопитающих была связана с эволюцией капиллярных сетей внутри сетчатки, несмотря на потенциальный компромисс для остроты зрения из-за преломления света эритроцитами.

Внутрисетчаточные капилляры у млекопитающих возникли около 100 миллионов лет назад, когда динозавры развили эндотермию (теплокровность). Это позволило мезозойским динозаврам охотиться ночью, что вынудило ранее ночных млекопитающих перейти к дневному образу жизни с повышенной зависимостью от зрения.

Новая модель показывает, что эволюция внутрисетчаточных капилляров точно совпала с улучшениями зрения около 100 миллионов лет назад. Некоторые млекопитающие (например, эхолоцирующие летучие мыши) утратили эти капилляры, когда стали меньше полагаться на зрение.

Кислород и зрение идут рука об руку

Анализ показывает, что функциональная морфология глаза динамично менялась на протяжении эволюции животных. Морфология глаза изменялась параллельно с изменениями в снабжении сетчатки кислородом, вероятно, из-за различных компромиссов. Эти компромиссы, по-видимому, были приемлемы ради улучшения остроты зрения, доступного при увеличении толщины сетчатки.

Исследование демонстрирует, что адаптации для обеспечения доставки кислорода к сетчатке были физиологической предпосылкой для функциональной эволюции глаза.