Как видеть без глаз или светочувствительный белок многоножек

Светочувствительные белки встречаются во всех сферах жизни. Даже одноклеточные микробы несут белки, реагирующие на свет. А у животных есть светочувствительные органы самых разных форм и строений. Все они, по-видимому, работают по одному и тому же принципу: фотоны поглощаются белком, который в ответ позволяет ионам течь через мембрану. В отдельных клетках это вызывает региональное отличие в концентрации ионов, позволяя им реагировать. В более сложных организмах эти ионы попадают в нервные клетки, заставляя их подавать сигналы.

На этой неделе в середине февраля учёные описывают странное исключение: многоножку. Эти организмы чётко реагируют на свет, так же как и на любого человека, который попытается растоптать насекомое, прежде чем оно спрячется обратно под камень или стену.

Так как же эти членистоногие распознают свет?

Чтобы было ясно, многие виды сороконожек имеют нечто, похожее на глаза, и содержат некоторые клетки, реагирующие на свет. Но исследования этих органов показывают, что они не оказывают существенного влияния на реакцию животного на свет. А ещё имеется нехватка генов.

Запускаемые светом белки, как правило, имеют сходную структуру, отчасти потому, что они должны образовывать каналы через мембраны, которые позволяют ионам проходить через них. Таким образом, обычно относительно легко выбрать гены для этих белков, когда становятся доступными геномные последовательности. В любом случае, у многих видов многоножек нет глаз. И они, как правило, живут под камнями и мусором, когда не пробираются в дома, а это значит, что им не обязательно много видеть в своей обычной среде. Тем не менее, если подвергнуть одно из этих живых существ воздействию света, оно, как правило, довольно быстро выходит из его поля распространения. Это может указывать на то, что многоножки могут чувствовать свет. Итак, как это происходит?

Чтобы выяснить это, группа китайских исследователей создала систему, в которой они могли подвергать многоножек воздействию света и проверять их реакцию. Снимки этой системы показали, что усики насекомого имеют характерный рисунок в инфракрасном диапазоне: они нагреваются на свету. Примерно за 10 секунд температура усиков повысилась более чем на 8°C, намного быстрее, чем температура любой другой части тела. С другими частями тела — большое количество ног — такого не происходило.

Лучше не спрашивать, как это было проверено. Исследователи надели на многоножек шапочки из фольги, закрывающие их усики. Это значительно снизило их способность находить затемнённые участки. В целом это заставило исследователей заподозрить, что бы ни происходило с восприятием света, оно происходило в этих органах.

Затем исследователи решили идентифицировать задействованный ген. Для этого они изолировали копии всех активных генов в усиках и идентифицировали сегменты, которые могут пересекать мембрану, поскольку белок должен позволять ионам делать это. Это сократило список возможных генов с более чем 8000 до немногим более 1000. В этот момент исследователи только начали помещать гены по отдельности в клетки человека, пока не нашли тот, который позволял ионам проникать в клетки при повышенных температурах.

Ген, который сработал, был назван BRTNaC1, и он несколько отдалённо связан с известным семейством ионных каналов, которые позволяют ионам натрия проникать в клетки и выходить из них. Но это семейство не чувствительно к температуре. BRTNaC1 оказался не придирчив к тому, какие ионы он пропускает в клетки; он также с радостью позволял кальцию проходить через мембраны. После тестирования различных химических веществ учёные обнаружили, что тестостерон ингибирует активность BRTNaC1. Это не имеет биологического значения, поскольку насекомые не производят тестостерон. Но это, безусловно, удобно, потому что можно применить его к усикам, не беспокоясь о том, что это изменит поведение насекомых.

Поэтому исследователи внедряли многоножкам тестостерон, а затем проверяли, остаются ли они чувствительными к свету. Они не оставались. Всё это указывает на то, что эти животные чувствуют свет, не регистрируя фотонов напрямую. Вместо этого они чувствуют это очень косвенно, с помощью органа, который выборочно нагревается при воздействии света, позволяя животному ощущать изменение температуры. Пока это единственный известный пример.

Вполне возможно, что эти многоножки являются единственными в своём роде с точки зрения такой биологии. В этом есть две поразительные вещи. Во-первых, существует много известных белков, которые организмы используют для измерения температуры, например, те, которые заставляют людей отрывать руки от горячей плиты. Но BRTNaC1 не имеет близкого родства ни с одним из них. Так что, похоже, он развивался совершенно независимо. Во-вторых, пока нет никакого понятия о том, как устроена антенна в плане избирательного нагревания.