Do czego służy wzrok?

Ludzkie oczy są uważane za majstersztyk ewolucji – przekazują obraz otoczenia do mózgu, po drodze odpowiednio go filtrując i obrabiając. Kunsztowną budową oka można się zachwycać, ale warto zauważyć, że nie potrzeba wyrafinowanych narządów, by wykonywać najbardziej podstawowe zadanie oka: odbierać światło. Wystarczy zestaw światłoczułych białek-receptorów w pojedynczej komórce, aby wyłapać pędzące przez przestrzeń fotony. Potrafią to nawet glony, nie wspominając o tym, że wszystkie rośliny i wiele bakterii wykorzystują światło, by produkować dla siebie pokarm w procesie fotosyntezy.

Idealnym przykładem jest prawdopodobnie najmniejsza na świecie kamera – jednokomórkowy glon Erythropsidinium. Posiada on ocelloid – organellum składające się z soczewki skupiającej światło i ciałka retinalnego, które jest pobudzane przez fotony. Choć większość jednokomórkowych glonów jest samożywna, Erythropsidinium uzupełnia swoją dietę, pochłaniając rozmaite stworzenia – a ocelloid być może pomaga mu w polowaniu na nie. Jeśli ta hipoteza jest prawdziwa – co trudno sprawdzić, gdyż sam gatunek jest trudny do znalezienia w przyrodzie i utrzymania w laboratorium – to światło dostarczane do ocelloidu musi nieść jakąś informację, która pozwala glonowi na detekcję niewielkiej zdobyczy w toni wodnej.

Jakich informacji może organizmom dostarczać światło? Odpowiedzi wydają się oczywiste. Wzrok, choćby najbardziej ograniczony, pozwala łatwiej znaleźć pożywienie i miejsce do życia, ułatwia rozpoznawanie zagrożeń albo potencjalnych partnerów. Światło kieruje też zachowaniem całych populacji organizmów – sprawia, że fioletowe bakterie fotosyntetyczne Rhodospirillum centenum zaczynają pełzać, poszukując siedlisk bogatych w życiodajne fotony, a mikroskopijne morskie bezkręgowce migrują w górę i w dół oceanicznej toni, pokonując odległości nawet kilku kilometrów w ciągu doby. Jednym z takich zwierząt jest larwa pierścienicy Platynereis, której pozornie prosty narząd zmysłów pozwala na ocenę głębokości – na tym osobliwym zachowaniu skupimy się w dalszej części naszej opowieści.

Rzęski czy kosmki?

Wszystkie fotoreceptory zawierają opsyny, czyli białka zdolne do reakcji na światło. Jednak ich wygląd i sposoby działania mogą być bardzo różnorodne, nawet jeśli kształtowały je podobne tendencje ewolucyjne. W ewolucji zwierząt do powstania fotoreceptorów doszło co najmniej dwukrotnie – u niektórych zwierząt opsyna znalazła się na rzęskach, a u innej grupy na mikrokosmkach. Rzęski to ruchome struktury błony komórkowej, które jednokomórkowce wykorzystują do przemieszczania się, a komórki nabłonka naszych dróg oddechowych – do usuwania patogenów. Natomiast mikrokosmki to mniejsze, niezdolne do ruchu wypustki, które możemy znaleźć np. w komórkach nabłonka jelita cienkiego. Obecność opsyny na dwóch różnych strukturach komórki u różnych grup zwierząt można uznać za przykład ewolucji konwergentnej, czyli takiej, w której bardzo podobne rozwiązania powstają niezależnie u dalece spokrewnionych grup. W taki sposób powstały np. skrzydła u ptaków i nietoperzy.

A dlaczego opsyna lokuje się akurat na rzęskach i mikrokosmkach? Wyprodukowanie każdego białka wiąże się z pewnym kosztem energetycznym, więc ewolucyjnie korzystne jest umieszczenie go w miejscu, w którym jego potencjał zostanie w pełni wykorzystany. Opsyna reaguje na światło, zatem najlepiej, aby znalazła się na najbardziej oświetlonym fragmencie błony. Żeby jeszcze bardziej zaoszczędzić energię, dobrze byłoby wykorzystać do tego celu już obecne na powierzchni komórki struktury, a więc przekształcić część rzęsek i mikrokosmków w opsynowe anteny – fotoreceptory.

Tzw. receptory typu R (których struktura przypomina szczoteczkę z włóknami mikrokosmków) występują głównie u bezkręgowców, natomiast receptory typu C (typu rzęskowego) są raczej charakterystyczne dla kręgowców. Pręciki i czopki obecne w ludzkiej siatkówce to receptory rzęskowe, ale wyspecjalizowane i mogące spełniać różne funkcje. Czopki, odpowiedzialne za percepcję barw, zawierają opsyny reagujące na czerwone, niebieskie lub zielone światło – w siatkówce człowieka znajdują się trzy rodzaje czopków, co pozwala na widzenie trójchromatyczne. Kolory inne niż czerwony, niebieski i zielony nasze oko i mózg postrzegają zatem jako mieszankę trzech podstawowych barw. Natomiast pręciki, by reagować na niższe natężenia światła, przekształciły swoje rzęski w podłużne wypustki, na których może zmieścić się więcej opsyny. Takie dostosowania ludzkich czopków i pręcików sprawiają, że nasz wzrok działa dobrze również w warunkach słabego oświetlenia i pozwala nam łatwo rozróżnić przedmioty w otoczeniu, rozpoznając ich kolory.

Biologia ma to do siebie, że jeśli wydaje nam się mało skomplikowana, to znaczy, że czegoś jeszcze nie wiemy. Okazuje się bowiem, że niektóre zwierzęta mogą posiadać zarówno receptory typu C, jak i typu R – a co więcej, używać ich do precyzyjnej nawigacji w trójwymiarowej przestrzeni. Być może w przeszłości więcej zwierząt posiadało obie grupy receptorów, ale u różnych z ich potomków zachował się tylko jeden z dwóch rodzajów? Istnieje jednak organizm, dla którego korzystnym okazało się posiadanie obu typów receptorów – Platynereis dumerilii, morski robak zaliczany do wieloszczetów, daleki krewny poczciwych dżdżownic.

Pełne zanurzenie!

Życie Platynereis nierozerwalnie związane jest ze słońcem. Zaczyna się zawsze kilka dni po pełni księżyca, w ciągu krótkiego okresu między zachodem słońca a wschodem księżyca. Dojrzałe Platynereis mają zdolność rozróżniania światła słonecznego i księżycowego oraz oceny czasu, który minął od wschodu księżyca, a w dogodnym momencie migrują w kierunku powierzchni wody, by się rozmnażać.

Larwy Platynereis również poruszają się w ustalanym przez słońce rytmie. Ich głównym źródłem pożywienia jest unoszący się w toni wodnej plankton, więc podążając za pokarmem, zwierzęta muszą nieustannie korygować swoje położenie. Oczy larw prawdopodobnie nie są na tyle złożone, by widzieć unoszące się w wodzie malutkie organizmy, ale pozwalają na precyzyjną ocenę głębokości. W jaki sposób?

W 2018 r. naukowcy z instytutu Maxa Plancka w Niemczech postanowili sprawdzić, jak larwy poruszają się w różnych rodzajach światła. Od dawna wiadomo było, że młode Platynereis zwykle pływają w stronę słońca (lub źródła światła widzialnego). Okazało się jednak, że użycie światła UV wywołuje przeciwny efekt: larwy unikają go, płynąc w dół.

Larwy Platynereis mają oczy zbudowane z receptorów typu R (powstałe z mikrokosmków), które reagują na światło widzialne. W ich mózgu osłoniętym półprzezroczystym nabłonkiem znajdują się jednak zupełnie inne komórki, które reagują na światło ultrafioletowe – to receptory typu C (rzęskowe). Badacze zaobserwowali z użyciem mikroskopu elektronowego, że receptory rzęskowe w mózgu są połączone za pośrednictwem komórek nerwowych z receptorami typu R w oczach. Na tej podstawie wysnuli wniosek, że receptory rzęskowe korygują aktywność tych drugich – kiedy mózg „zauważy” światło UV, wysyła oczom informację „nieważne, co widzicie, nie płyniemy w górę!”.

Wydawałoby się, że taki mechanizm nie jest bardzo efektywny – dlaczego organizm miałby najpierw płynąć w górę, by potem z powrotem nurkować? Okazuje się jednak, że mając dwie światłoczułe komórki, których odpowiedzi różnią się w zależności od koloru padającego na nie światła, ewolucja mogła doprowadzić do stworzenia... biologicznego miernika głębokości. Choć wydaje się to nieprawdopodobne, by światło miało służyć do oszacowania poziomu zanurzenia, krótkie rozważania ekologiczne na temat światła pomogą nam to zrozumieć.

Jak mierzyć głębokość?

W wodzie światło zachowuje się inaczej niż w powietrzu. Światło o krótszych długościach fal, jak UV, rozprasza się tam bardzo szybko. Odwrotnie jest ze światłem czerwonym, które może penetrować zbiorniki wodne głębiej. Światło o różnych barwach inaczej rozprasza się też na pływających w wodzie istotach i choć ludzie nie byliby w stanie zauważyć żyjących w wodzie mikroorganizmów, to ryby mają taką możliwość. Nasz wzrok, zaadaptowany do rozpoznawania obiektów o barwach z zakresu długich długości fal, pominąłby pływającego w wodzie pantofelka. Jednak światło UV rozprasza się na pantofelku i być może dla jedzącej mikroorganizmy ryby, której oczy dostosowane są do życia w wodzie, wygląda on jak błyszcząca kropka. To, co widzimy, wynika więc po części z tego, co środowisko świetlne ma nam do zaoferowania, a po części z tego, jak nasze widzenie w takim otoczeniu wyewoluowało. To zaś z kolei wiąże się z tym, po co organizm miałby tę informację wykorzystywać.

Gdybyśmy na dwóch różnych głębokościach zliczyli, przykładowo, fotony niebieskie i te, które są z zakresu UV, okazałoby się, że stosunek fotonów niebieskich do UV byłby większy przy większym zanurzeniu – wiąże się to z tym, że światło UV będzie rozpraszane szybciej w porównaniu do światła niebieskiego. To właśnie tę wiedzę wykorzystano w eksperymencie, w którym oświetlano akwarium z larwami Platynereis z góry światłem o różnej procentowej zawartości fotonów UV i niebieskich. Gdy w świetle była przewaga fotonów UV, larwy unikały światła i płynęły w dół. Odwrócenie tej proporcji spowodowało, że zwierzęta zaczęły płynąć w górę. Gdy z kolei światło zawierało 40 proc. fotonów UV i resztę z zakresu niebieskiego, larwy pozostawały na pewnej ustalonej głębokości. Wykrywanie różnych barw światła ma więc znaczenie w określeniu kierunków góra-dół. Odbywa się to dzięki wspomnianym już rzęskowym receptorom znajdującym się w mózgu. Światło słoneczne pełni więc różnorodne funkcje w zależności od organizmów, które posiadają niezbędne fotoreceptory i połączone z nimi komórki nerwowe.

Ewolucja tego niezwykłego gatunku skryła jednak jeszcze więcej niespodzianek. Choć wspomniane wyżej światło wydaje się wystarczające, by określać położenie góra-dół, dodatkowe eksperymenty wykazały, że kilkudniowe larwy Platynereis wyczuwają również zmiany ciśnienia i wykazują barotaksję, tzn. płyną w kierunku preferowanego przez nie ciśnienia (różnego na różnych głębokościach). Mechanizm tego zachowania nie jest dobrze poznany, ale wszystkie dowody wskazują na... rzęskowy fotoreceptor znajdujący się w mózgu. Tak, ten sam, który akapit wyżej brał udział w wykrywaniu różnych proporcji świateł UV i niebieskiego, by kontrolować zanurzenie.

Meandry ewolucji

Może nas to wprawić w osłupienie – oto komórka będąca receptorem światła nabrała nowej zdolności – recepcji ciśnienia, niezbyt, jak się wydaje, powiązanej ze słońcem i fotonami. Być może jednak coś w budowie tej komórki, jak na przykład jej „elastyczne rusztowanie” zbudowane z mikrotubul i różnego rodzaju filamentów, pozwoliło na wykrywanie zmian ciśnienia, co okazało się przydatnym dodatkowym sygnałem informującym o zmianie zanurzenia. Obie te zmienne, światło i ciśnienie, mogą być powiązane z optymalną głębokością, do której dąży Platynereis.

Ewolucja, poprzez losowe mutacje i kontekst, w jakim one zachodzą, eksploruje możliwości, które mogą wymykać się naszej codziennej intuicji. Gdy biolodzy próbują zrozumieć jakieś zagadnienie związane z tak wielopoziomowym układem, jakim jest nawet najmniejszy organizm, często muszą skupiać się na pojedynczych elementach układu: co się stanie, jeśli dane białko, komórka lub organ nie będą funkcjonować prawidłowo? Jednak odkrycie, że komórka będąca receptorem światła może być jednocześnie miernikiem zanurzenia, wymagało skrzętnej analizy całego układu i uważnego zastanowienia się nad ekologią środowiska, w którym żyje larwa Platynereis. Nie wiadomo więc, ile jeszcze zagadek kryją w sobie głębiny oceanów i inne trudno dostępne miejsca na Ziemi zamieszkiwane przez przeróżne istoty. Przykład larwy Platynereis dobrze to ilustruje. To, że na lądzie posiadanie różnych typów fotoreceptorów pozwala na widzenie barw, nie oznacza, że te same właściwości światła będą wykorzystane w ten sam sposób przez organizmy żyjące w świecie tak odmiennym od naszego – a jednak wciąż rządzonym tymi samymi prawami przyrody.