Как у позвоночных появилось зрение: учёные разгадали эволюционную загадку

Развитие сложных форм жизни из примитивных одноклеточных бактерий — это такое же невероятное событие, как и само появление живых бактерий в безжизненном океане. Чего стоит только наше зрение, которое долгое время считалось одной из самых сложных загадок биологии. Только представьте себе, что элементарная чувствительность к свету развилась в сложнейшую фотографическую систему, благодаря которой вы сейчас можете читать эту статью.
Ученые не могли понять, как это произошло, однако согласно недавнему исследованию, у позвоночных и их предков зрение не эволюционировало постепенно. Один из ключевых для зрения генов был “украден” от других ветвей жизни. То есть в какой-то момент наш предок, фактически, подвергся генной модификации, в результате чего развил способность видеть.

В чем секрет зрения

Все позвоночные содержат ген IRBP, без которого у нас не было бы хорошего зрения. Благодаря ему фоточувствительные белки опсины могут многократно реагировать на свет. Эти белки реагируют на свет при помощи ретиналя — особой молекулы, образованной из витамина А. При воздействии на них фотонов света, они формируют электрохимический сигнал и отправляют его в зрительный нерв. При этом у них меняется структура, в след за которой происходит изменение структуры и белков опсинов. Однако после такого “срабатывания” ретинали не могут вернуться в исходное состояние, то есть опять стать фоточувствительными. Однако белок IRBP помогает им вернуть первоначальную структуру.
О том, как работает этот ген, ученым уже давно хорошо известно, однако непонятно было одно — как этот ген возник у позвоночных. Дело в том, что каждый белок или ген должен иметь своего предка в древних формах жизни. Причем некоторые важные гены, которые отвечают за копирование ДНК, синтез других белков или другие важные процессы, часто переходят от предков к потомкам практически без изменений. Другие же гены накапливают в себе мутации, в результате чего у потомков начинают выполнять совсем не ту функцию, которую выполняли у предков. Но в любом случае у родственных видов можно обнаружить схожие гены.
Как вы наверняка догадались, найти предков гена IRBP ученые не смогли. Казалось, что он появился сам по себе, но так не бывает. Теперь же ученым Калифорнийского университета в Сан-Диего удалось разгадать эту загадку.


Ген зрения перешел позвоночным внезапно из бактерий

Как возник ген зрения

Как сообщают исследователи в журнале PNAS, ген IRBP был введен в ДНК позвоночных из бактерий. Произошло это в результате горизонтального переноса генов. Суть данного процесса заключается в перемещении генетического материала между разными видами при помощи помощью вирусов, способных менять гены, либо при помощи бактерий “воров”.
У бактерий есть фермент-пептидаза, способный расщеплять другие белки и взаимодействовать со светочувствительными молекулами. Когда этот ген был перенесен в ДНК позвоночных, он удвоился два раза. То есть появилось сразу четыре его копии. Все они остались рядом друг с другом. Расщеплять белки ген IRBP в итоге разучился, но зато стал выходить во внеклеточное пространство и лучше начал работать со светочувствительными молекулами. То есть этот ген фактически появился у позвоночных случайно.


Ген зрения у древних позвоночных появился более 500 миллионов лет назад

Когда у позвоночных появился ген зрения

Как сообщают исследователи, ген IRBP возник в глазах позвоночных более 500 миллионов лет назад. Однако его нет у беспозвоночных и любых других сложных клеток, начиная от растений, и заканчивая амебами или грибками. Единственная последовательность гена, похожая на ту, которая кодирует IRBP, присутствует у бактерий.
Чтобы прийти к такому выводу, ученые проанализировали 900 геномов различных видов. Следует отметить, что как раз 500 лет назад у позвоночных появилось зрение. Очевидно, в этот период времени наш предок смог продублировать ген и сформировать его новую функцию, что позволило ему в конечном итоге увидеть окружающий мир.



Предок гена IRBP существует только у бактерий

Хотя, это не значит, то без IRBP позвоночные оставались бы слепыми навсегда. Беспозвоночные обладают светочувствительностью и без этого гена. Однако он дал нам определенные преимущества, такие как ночное зрение. И вообще благодаря ему наше зрение более совершенное, чем у непозвоночных.
По словам исследователей, сам факт того, что отдельные гены способны перемещаться между совершенно разными организмами, позволит ученым найти ответы на многие биологические процессы, которым до последнего момента не было объяснений. Скорее всего, по мере расшифровки большего количества геномов, удастся найти новые примеры горизонтального переноса генов. Но уже сейчас можно сказать, что ДНК микробов и вирусов внесла серьезный вклад в эволюцию животного мира.