12 ноября 2019, вторник, 22:15
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

История цветового зрения

Радуга
Радуга

Недавно в журнале PLOS Genetics была опубликована статья, посвященная появлению у людей трехцветного зрения в его нынешнем виде. Результаты этой работы представляют интерес не только для интересующихся механизмами зрения, но и довольно интересны как пример путей эволюции.

За цветное зрение отвечают рецепторы опсины, находящиеся в светочувствительных клетках – колбочках. Люди, в основном, обладают трехцветным зрением. Это значит, что в геноме человека закодированы опсины трех разных типов. Вот эти типы: опсины, чувствительные в области длинных волн (Long Wavelength Sensitive, LWS, 560 нм, красный цвет), чувствительные в области волн средней длины (Middle Wavelength Sensitive, MWS, 530 нм, зеленый цвет) и чувствительные в области коротких волн (Short Wavelength Sensitive, SWS, 414 нм, фиолетовый, синеватый). Число означает длину в нанометрах волны фотона, который с наибольшей вероятностью вызывает срабатывание рецептора и передачу нервного импульса в мозг. Все богатство оттенков, которые видит человек, обеспечивается совместной работой этих трех типов опсинов.

Считается, что очень отдаленные позвоночные предки современных млекопитающих обладали четырехцветным зрением. Два типа рецепторов были утрачены предшественниками млекопитающих где-то во времена динозавров, по-видимому, в связи с ночным образом жизни. В колбочках, отвечающих за дневное зрение, остались только рецепторы к красному цвету и к ультрафиолету.

Рецептор, воспринимающий зеленый цвет, получился в результате дупликации гена красного рецептора. В нем произошли некоторые мутации, но даже сегодня у человека эти два типа рецепторов отличаются так незначительно, что до сих пор не удается получить антитела, которые специфично окрашивали бы только один из них (взаимодействие белка с антителом осуществляется на основании сходства их поверхностей). Оба гена, кодирующих эти рецепторы, находятся в X-хромосоме. Поскольку у женщин две X-хромосомы, а у мужчин одна, мутации в соответствующих генах гораздо чаще становятся причиной цветовой слепоты (дальтонизма) у мужчин, чем у женщин. По одной из теорий, умение отличать красный цвет от зеленого оказалось эволюционно очень выгодно, поскольку позволяло легко разглядеть спелые плоды в зеленой листве.

В последнее время стали высказываться предположения, что из-за такого кодирования красного и зеленого рецепторов у некоторых женщин может наблюдаться даже четырехцветное зрение (тетрахроматия). В одном из генов может произойти мутация, и получится рецептор, возбуждаемый светом с длиной волны между красным и желтым. Поскольку каждого рецептора по две копии, замена одной приведет к тому, что в геноме будут закодированы все три рецептора. Ученым удалось найти одну женщину, которая действительно гораздо лучше обычного различала оттенки, у нее наблюдалась истинная функциональная тетрахроматия. Исследователи, правда, расходятся во мнении о том, насколько это частое явление.

Но вернемся к коротковолновому рецептору. У предков современных млекопитающих хрусталик пропускал ультрафиолетовый цвет, и имелся фоторецептор чувствительный к нежесткому ультрафиолету. Но в ходе эволюции у некоторых приматов, в частности у человека, хрусталик перестал пропускать фотоны с длиной волны короче 400 нм, и этот рецептор оказался не у дел. Люди, у которых отсутствует хрусталик, под действием ультрафиолета видят белесо-синий цвет. Это происходит потому, что ультрафиолет воздействует на все три рецептора (белый цвет как раз и получается при сложении красного, синего и зеленого), но на коротковолновой чуть сильнее.

Оказалось, что семь мутаций превращают бесполезный ультрафиолетовый рецептор в полезный, чувствительный к синему цвету. То есть мы можем быть уверены, что эти мутации в какой-то момент произошли, поскольку мы видим синий цвет, а ультрафиолет не видим. Происходили они в промежутке времени от 90 до 30 миллионов лет назад. Мы не знаем, однако, в какой последовательности они происходили. Дело в том, что сама по себе ни одна из этих мутаций не позволяет видеть синий цвет, а, чтобы закрепиться, мутация должна быть полезной. Или хотя бы не вредить, чтобы не быть немедленно выброшенной отбором.

Авторы статьи провели разносторонние исследования, чтобы установить, как именно выглядел путь превращения ультрафиолетового фоторецептора в синий. Превращения изучались на уровне теоретической химии, на генетическом и функциональном уровне. Семь произошедших последовательно мутаций дают 5040 (7!) возможных последовательностей. Авторы проанализировали их все. Часть комбинаций (примерно 80%) сразу оказалась невозможной. Теоретические исследования показали, что одна из мутаций должна обязательно происходить в конце цепочки преобразований, поскольку иначе нарушается взаимодействие белка с водой – канал, по которому должна поступать вода, оказывается перекрыт. Часть информации ученые получили, исследуя геномы промежуточных видов.

Остальную информацию пришлось получить, создавая варианты белков с различными наборами мутаций. В результате число возможных эволюционных траекторий удалось сократить до 335. Оказалось, что сдвиг оптимальной длины волны происходил постепенно: на 20 нм за первые 10 миллионов лет (это был все еще ультрафиолет), еще на 20 нм за следующие 5 миллионов, еще на 20 нм за следующие 30 миллионов и, наконец, на последние 20 за 15 миллионов лет. Последняя из этих стадий совпала по времени с формированием красного и зеленого пигмента в их современном виде. Примечательно, что три мутации, превратившие красный фоторецептор в зеленый 25 лет назад обнаружил все тот же Сёдзо Йокояма – первый автор обсуждаемой статьи.

Приматы не единственные, кто променял ультрафиолетовый фоторецептор на синий. Ранее Йокояма изучал тот же процесс у рыбы-сабли (Lepidopus fitchi), живущей на глубине 25-100 метров. Рыбе понадобилась всего одна мутация, чтобы перейти с ультрафиолета на синий цвет. Вероятно, это произошло из-за того, что среда обитания рыбы поменялась более резко, а среда обитания приматов менялась постепенно.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: [email protected]
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.