Видение без глаз – неожиданный мир незрительного фоторецепции
Мы, люди, необычайно визуальные существа. Однако ученые обнаружили, что у многих животных, включая человека, есть специализированные светочувствительные молекулы в неожиданных местах вне глаз. Эти экстраокулярные фоторецепторы обычно находятся в центральной нервной системе, коже, а также во внутренних органах.
Как обнаруживают свет
Все зрительные клетки животных используют для обнаружения света белки одного семейства – опсины. Они связываются с производным витамина А, которое меняет структуру на свету. Это заставляет опсин менять форму и запускать сигнальные пути в клетке, посылая в мозг сообщение о свете.
Сознательное зрение у позвоночных в основном обеспечивают палочки и колбочки в сетчатке глаза. Однако в начале 2000-х группа Дэвида Берсона из Университета Брауна обнаружила в сетчатке мыши другие светочувствительные клетки. Они содержали новый класс опсинов – меланопсины, ранее не встречавшийся у позвоночных. Эти клетки, часто называемые "незрительными" фоторецепторами, не участвуют в формировании изображения.
Где искать фоторецепторы вне глаз?
Поиск обычно начинается с обнаружения генов опсинов с помощью молекулярно-генетических технологий, а затем подтверждается физиологическими или поведенческими тестами (например, изменением электрической активности клетки или поведения животного на свет).
- Центральная нервная система: Почти у всех животных несколько типов фоторецепторов находятся в мозге и часто в нервах.
- Кожа: Многие рецепторы расположены в активных цветоизменяющих клетках или органах – хроматофорах. Они достигают высшего развития у головоногих моллюсков (осьминоги, кальмары, каракатицы) и используются для камуфляжа или коммуникации.
- Другой класс молекул: Кроме опсинов, существует второй класс светочувствительных молекул – криптохромы. Они обнаружены в нервных структурах некоторых насекомых и даже в сетчатке птиц. Их функции до конца не ясны.
Зачем нужна светочувствительность вне глаз?
Функция зависит от локализации. Как правило, эти рецепторы регулируют поведение и процессы, не требующие сознания или точного знания о местоположении источника света.
- Регуляция циркадных ритмов: Контроль суточных циклов бодрствования, сна, настроения, температуры тела и других внутренних процессов, синхронизированных со сменой дня и ночи. Биологические часы, вызывающие джетлаг, почти всегда контролируются такими фоторецепторами.
- Реакция зрачка: Регуляция сужения и расширения зрачка в ответ на изменение уровня освещенности.
- Изменение окраски: Управление цветом и рисунком кожи у рыб или головоногих.
- Магниторецепция: У некоторых животных (птиц, тараканов) криптохромы, по-видимому, лежат в основе способности ощущать магнитное поле Земли.
Невизуальное фоторецепция у человека
Открытие светочувствительных клеток в сетчатке млекопитающих помимо палочек и колбочек показало, что у людей тоже есть незрительные светочувствительные пути.
- Исследование 2007 года показало, что пациенты, полностью потерявшие палочки и колбочки из-за генетических нарушений, сохраняют светозависимые суточные ритмы и реакцию зрачка. Один пациент даже сообщал об ощущении "яркости" при воздействии синим светом.
- Исследования на грызунах (группа Самера Хаттара в Университете Джонса Хопкинса) показывают, что незрительные пути могут регулировать настроение, способность к обучению и даже чувствительность сознательного зрения.
- Недавнее открытие (исследование Соломона Снайдера и Дэна Берковица, также в Университете Джонса Хопкинса) показало, что кровеносные сосуды мышей содержат меланопсин. Этот светочувствительный белок может регулировать сокращение и расслабление сосудов. Поскольку у людей, вероятно, есть такая же система, это может частично объяснять увеличение частоты сердечных приступов по утрам, возможно, связанное с изменениями артериального давления в это время.
Незрительное светоощущение широко распространено и значимо в жизни животных. Будущие исследования продолжат раскрывать его влияние на здоровье и благополучие человека.