Как древние бактерии дали нам хорошее зрение

Вообще-то вся наша жизнь на Земле зародилась благодаря древним синезеленым бактериям. Ведь именно они освоили такой процесс, как фотосинтез.

За миллиарды лет до появления солнечных панелей эти примитивнейшие микроорганизмы научились извлекать из солнечного света биологическую энергию для своего существования.

А при чем здесь зрение?! Тут долгая история… Дело в том, что, во-первых, свет, прямо как в солнечных панелях, нужно концентрировать и фильтровать от лишнего спектра излучения.

А во-вторых – и тут уже совсем наоборот, чем это есть в бездушных приборах, – нужно предусмотреть защиту от повреждающих живое лучей. Я думаю, термин «фотостарение» и его смысл известны каждому, а тут в условиях первобытной планеты, пронизанной жестким излучением, речь шла не о каком-то там старении, а о риске моментальной смерти.

И вот именно для этих двух задач первобытные бактерии научились синтезировать особые пигменты, которые объединены общим термином – «каротиноиды» (от латинского слова carota, обозначающего морковь, так богатую бета-каротином).

Самые известные из них – бета-каротин, астаксантин, лютеин и зеаксантин. Они были названы пигментами, потому что имеют очень яркий цвет – темно-красный, красный, оранжевый и желтый.

Благодаря этому каротиноиды – прямо как профессиональные светофильтры – концентрируют свет и отсекают наиболее агрессивную часть спектра.

Наследники древних бактерий – растения – взяли эту технологию на вооружение и тиражировали ее по всей Земле. Вы никогда не задумывались, почему такие богатые источники бета-каротина, как шпинат, брокколи, крапива и другие, имеют банальный зеленый цвет, а не такой яркий, как у перца или моркови?

Зеленые они потому, что очень богаты хлорофиллом, необходимым для фотосинтеза, но под этим густым слоем зеленого прячется огромное количество бета-каротина. И необходим он ровно для того же, для чего его научились синтезировать бактерии, – для концентрации и фильтрации спектра света и защиты клеток от светового повреждения.

Но перейдем от растений к животным. Нас ведь интересует зрение, а появляется оно не у бактерий, не у растений, а именно у животных. Как это часто бывает в природе, животные разучились синтезировать каротиноиды, так как всегда могли получить их из пищи, поедая либо морской или речной планктон, либо растения.

И в самом начале, как предполагают ученые, первые примитивные животные использовали эти пигменты вовсе не для зрения, а для защиты своих поверхностных тканей от света. (Позже из этого развился феномен, который мы называем яркой окраской рыб и птиц.)

А вот когда появились первые органы зрения – которые, само собой, тоже были на поверхности, – каротиноиды стали использоваться и там. И опять пока только для защиты от излучения.

В этот момент возникает первый ключевой феномен зрения: примитивные животные начинают синтезировать из бета-каротина другие формы.

Например, ретиноевую кислоту. Кто знаком с косметологией, тот наверняка знает, что это очень распространенный компонент для косметических средств с функцией фотозащиты. Потому что, накапливаясь в коже, ретиноевая кислота выполняет роль блокатора опасного спектра солнечного света.

То есть мы-прежнему говорим исключительно о защите от света. А вот еще одно производное бета-каротина – ретинол, который мы знаем как витамин А, – дало животным уже возможность видеть.

Ретинол превращается в активный метаболит ретиналь. Далее ретиналь связывается со зрительным пигментом в органах зрения, а затем под влиянием энергии света меняет пространственную ориентацию своей молекулы, что, в свою очередь, провоцирует возникновение зрительного нервного импульса и его передачу в мозг.

И долгое время у первых примитивных животных органы зрения так и работают – с помощью одного только ретинола. Травоядные или всеядные животные получают бета-каротин из растений и потом синтезируют из него ретинол.

Рыбы и морские животные получают бета-каротин по пищевой цепочке из водорослей и планктона и также синтезируют ретинол.

Абсолютные хищники (что рыбы, что наземные животные) утрачивают фермент, необходимый для синтеза ретинола из бета-каротина, потому что в достаточном количестве получают готовый витамин А с плотью жертв.

Зрение с помощью одного только ретинола можно сравнить с простой черно-белой камерой видеонаблюдения, которая отлично замечает любые движения, размеры объектов, скорость движения, но совсем не видит мелкие детали, тем более – все цвета.

А вот чтобы видеть всю гамму цветов, точно различать мельчайшие движения и определять формы и размеры, требуется поступающий в глаз световой сигнал разложить на спектры и отфильтровать.

Одним из самых ранних примеров еще примитивного, но уже цветового зрения являются живые ископаемые – некоторые двоякодышащие рыбы. У них появились не только специальные клетки для различения цветов, но и особый орган внутри них – жировые капли, накапливающие красный пигмент (бета-каротин и астаксантин).

Они выполняют роль светофильтра, делающего световой сигнал очень четким, и, что очень важно, дополнительно защищают зрительные клетки от повреждений, которые способен вызвать яркий свет, без которого, собственно, невозможно цветовое зрение.

Своего пика зрительная функция достигает у птиц. Необходимость видеть мельчайшие объекты на большом расстоянии и идеально различать цвета и оттенки растений, плодов и цветов привела к тому, что у птиц появился целый набор разных зрительных клеток с разными каплями-светофильтрами.

В качестве красного и оранжевого светофильтров птицы используют эпсилон-каротин и астаксантин (который синтезируют из зеаксантина), а желтого – лютеин, галлоксантин и зеаксантин. Все эти каротиноиды в большом количестве есть в растительной пище.

У орла и других хищных птиц цветовое зрение едва ли не лучшее на Земле. Но… откуда они берут каротиноиды?! Они ведь чужды какой-либо растительной пище.

И тем не менее в сетчатке хищных птиц есть полный набор всех светофильтров, без которых орлиного зрения просто бы не было. Все становится на свои места, если вспомнить, что у некоторых птиц каротиноиды есть не только в сетчатке – они определяют яркую цветную окраску перьев (а значит, их много еще и в коже). И это очень большие количества!

Соответственно, становясь жертвой хищных птиц, они передают им свой запас каротиноидов.

А вот млекопитающие – цари зверей – почему-то откатились далеко назад и обладают довольно примитивным, практически только черно-белым зрением.

Как считают ученые, произошло это потому, что предки млекопитающих вынуждены были стать ночными животными в эру динозавров, которые представляли смертельную опасность для всего живого.

А ночью важно различать только движение и размер, и для этого простого черно-белого зрения (в лучшем случае – с одним-двумя дополнительными цветами) вполне достаточно.

И только на уровне приматов зрение опять начинает приближаться по своим параметрам к полноцветному и четкому зрению птиц. Дело в том, что приматы не только стали в основном дневными животными, но и, главное, всеядными, а значит, должны были уметь различать растительную пищу по цветам.

Нет, специальные клетки с каплями-светофильтрами ни у обезьян, ни у нас с вами так и не появились, но вот сама светозащитная и фокусирующая свет функция каротиноидов опять возникла на повестке.

У приматов и человека в сетчатке глаза появляется почти обособленный орган – желтое пятно, или макула. Это эпицентр самого точного, самого лучшего цветового зрения.

А почему желтое пятно? Вы уже догадались! Верно, это знакомые нам пигменты – лютеин и зеаксантин. Но нужно понимать, что, кроме необходимости в цветовом зрении, это стало возможным исключительно из-за рациона приматов, которые вместе с растительной пищей стали потреблять много лютеина и зеаксантина.

У древнего человека в рационе лютеина и зеаксантина было тоже предостаточно. А вот у нас сегодняшних – бабушка надвое сказала. Возьмите таблицу продуктов, богатых каротиноидами, и проверьте себя ради любопытства...