Противники идеи эволюции часто превратно толкуют Дарвина, который якобы и сам признавал, что «трудно поверить в то, что столь сложный живой прибор создан в ходе естественного отбора путем проб и ошибок». Но на самом деле «отец» эволюционной концепции писал другое: «Утверждение, что столь совершенный орган, как глаз, мог возникнуть путем естественного отбора, способно поразить всякого. Тем не менее, если мы знаем для любого органа длинный ряд градуальных усложнений, из которых каждое полезно для его обладателя, то при меняющихся условиях жизни приобретение путем естественного отбора любой возможной степени совершенства органа логически вполне возможно. В тех случаях, когда нам неизвестны промежуточные или переходные стадии, мы должны быть весьма осторожны в заключении, что они никогда и не существовали, так как метаморфозы многих органов показывают, какие удивительные изменения функции оказываются, по крайней мере, возможными».

Учёные из университетов Санта-Барбары в Калифорнии и Квинсланда в Австралии провели подробное филогенетическое изучение опсинов — белков, отвечающих за рецепцию света в животных. (Зрение животных основано на светочувствительном кофакторе ретинале, в то время как фототаксис растений и грибов базируется на других молекулах.) В основе исследования лежит идентификация нового класса опсинов (названных книдопсами) в древнем примитивном классе гидроидных — многоклеточных животных, принадлежащих к типу кишечнополостных (Cnidaria). Анализ геномов эволюционно предшествующих гидрам животных — губок (тип Spongia) — выявил, что в них не встречается белков, родственных каким-либо известным формам фоторецепторов.

«Мы не только первыми исследовали гены, отвечающие за зрение в этих древних животных. То, что мы не обнаружили их в предшествующих жизненных формах — губках, — позволяет нам поставить точку отсчёта эволюционного развития зрения у животных», — говорит Дэвид Плачецкий (David Plachetzki), первый автор статьи, опубликованной в журнале PLoS ONE [1].

Свежеоткрытая группа опсинов дополняет уже известные ветви этих светочувствительных белков, отвечающих за зрение в различных формах животного мира:

• Зрение позвоночных основано на рецепторных клетках в виде «ресничек», образующих сетчатку глаза. В мембранах этих клеток (палочки и колбочки у животных с цветным зрением) расположен родопсин [2], связывающийся с G_i/t α-субъединицей G-белкá трансдуцина;
• Сложный глаз членистоногих (в частности, насекомых) содержит стержневидные клетки со складчатой мембраной, светочувствительный пигмент которых связывает G_q α-субъединицу;
• G_o-опосредованный вид фоторецепции (у некоторых моллюсков и др.) действует через активацию G_o α-субъединицы G-белкá.

Открытие новой группы опсинов позволило увеличить «разрешение» филогенетического анализа, который проводился и ранее. Проанализировав родство белков этих четырёх групп фоторецепторов, учёные пришли к выводу, что максимальное различие наблюдается между группой «реснитчатых» опсинов и группой, в которую попадают все остальные белки. Приняв в качестве рабочей гипотезы монофилию всех опсинов (то есть то, что все эти белки имели общего эволюционного предка), они объясняют возникновение этих групп с помощью двух последовательных дупликаций генов белка-прародителя. (Дупликация генов на настоящий момент считается одним из наиболее вероятных механизмов белковой эволюции. Согласно нему, ген «раздваивается» в геноме, и каждая его копия продолжает эволюционировать независимо, иногда приобретая новые функции.) По приблизительным оценкам, общий «предок» всех опсинов существовал 600 млн. лет назад (рис. 1).

Кроме того, анализ эволюционной вариабельности четвертой цитоплазматической петли опсинов показал, что участок, ответственный за связывание G-белкá, эволюционирует одновременно с «переключением» фоторецептора на нового G-белкóвого «партнёра».

Профессор Тодд Окли (Todd Oakley), заведующий лабораторией в Университете Санта-Барбары (и ведущий автор статьи), говорит, что до их работы практически не было исследований, в которых аккуратно демонстрировалось бы, что эволюционные изменения белка сопровождаются появлением новой функции. В данном же случае на лицо образование новых взаимодействий с G-белкáми, обнаруженными не только в многоклеточных, но и одноклеточных животных, а также в растениях и грибах. Такое новое белок-белковое взаимодействие можно считать фундаментом нового функционального механизма зрения, который, как уже было сказано, в разных группах животных основывается на различных биохимических процессах.

«Наветы противников эволюции просто-напросто неверны, — говорит Окли. — В нашей статье показано, что специфические мутации в продублированных генах опсинов задают новые, ранее не существовавшие межбелковые взаимодействия. Эти взаимодействия определяют работу всего механизма зрения, который отличается в разных группах животных».

Что пока остаётся невыясненным — это зачем же, всё-таки, гидрам опсины. Гидры — хищники, и можно было бы сказать, что светочувствительные пигменты требуются им для выслеживания жертвы, тем более что эти белки экспрессируются в области рта животного (показано тёмно-синим на заглавной картинке). Однако специальных органов зрения у гидр нет, хотя все биохимические пути, необходимые для рецепции света — присутствуют.

Литература

1. David C. Plachetzki, Bernard M. Degnan, Todd H. Oakley. (2007). The Origins of Novel Protein Interactions during Animal Opsin Evolution. PLoS ONE. 2, e1054;
2. Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет.