Учёные обнаружили у хамелеонов оптические нервы, похожие на телефонные шнуры, которые раньше не замечали ни Аристотель, ни Ньютон

от

Учёные давно изучают блуждающие глаза хамелеонов. Ещё в Древней Греции их поведение вызывало удивление. И вот, спустя тысячелетия исследований, современная визуализация раскрыла секрет их почти 360-градусного обзора и удивительной способности смотреть в двух разных направлениях одновременно.

За выпученными глазами хамелеонов скрываются два длинных, закрученных оптических нерва — структура, невиданная у других ящериц.

Хуан Даза объясняет особенности глаз хамелеонов

«Глаза хамелеонов подобны камерам видеонаблюдения, которые могут двигаться во всех направлениях», — объясняет Хуан Даза, доцент Университета штата Сэм Хьюстон и автор нового исследования, описывающего эту особенность. «Они двигают глазами независимо, сканируя окружающую среду в поисках добычи. А как только добыча найдена, глаза координируются и смотрят в одном направлении, чтобы хамелеон мог рассчитать, куда метнуть язык».

Авторы опубликовали своё исследование в журнале Scientific Reports.

Наблюдать за бегающими глазами хамелеонов легко, но учёные никогда не понимали до конца, как устроен оптический нерв, который делает возможным такое движение. Эдвард Стэнли, директор лаборатории цифровой визуализации Музея естественной истории Флориды, впервые заметил уникальную форму на компьютерной томограмме миниатюрного лиственного хамелеона (Brookesia minima) во время посещения лаборатории Даза в 2017 году. Завитые оптические нервы не были похожи ни на что, что он видел раньше.

Тем не менее, оба учёных поначалу отнеслись к находке с осторожностью. Хамелеоны изучены уже давно, и неудивительно, что это открытие не было сделано раньше.

«Я был удивлён самой структурой, но ещё больше меня поразило то, что никто другой этого не заметил», — сказал Даза. «Хамелеоны хорошо изучены, и люди давно занимаются их анатомическими исследованиями».

Хамелеоны обитают в Африке, Европе и Азии. Помимо способности менять цвет кожи, у ящериц есть впечатляющий набор древесных черт. Они используют свой цепкий хвост, чтобы удерживать равновесие, а лапы, похожие на рукавицы, чтобы медленно и осторожно передвигаться по ветвям. Хамелеонам нет нужды спешить, потому что у них есть баллистический язык, который может разогнаться с нуля до 60 миль в час за сотую долю секунды. Этот длинный липкий язык может выстреливать на расстояние, вдвое превышающее длину тела хамелеона, чтобы схватить ничего не подозревающую добычу.

Хамелеоны харизматичны и уникальны, поэтому неудивительно, что они давно привлекли внимание человека. Их отличительная форма и закрученный хвост даже различимы на древних египетских петроглифах.

Убеждённые, что должно быть опубликованное описание этих завитых оптических нервов, команда исследователей углубилась в научные труды в поисках доказательств, даже привлекая языковых экспертов для расшифровки старых текстов, опубликованных на французском, итальянском и латинском языках — иногда на смеси нескольких языков.

Более двух тысяч лет назад греческий философ Аристотель ошибочно предположил, что у хамелеонов вообще нет оптических нервов, а вместо этого глаза напрямую соединены с мозгом, что позволяло им независимо двигаться.

В середине 1600-х годов римский врач Доменико Панароли оспорил взгляды Аристотеля, утверждая, что у хамелеонов есть оптические нервы, но, в отличие от большинства других животных, они не пересекаются. Это пересечение заставляет изображение, видимое правым глазом, обрабатываться в левой части мозга, и наоборот. Панароли рассуждал, что без этой пересекающейся структуры глаза хамелеона могли бы свободно двигаться.

Исаак Ньютон, также увлечённый странной структурой глаз хамелеонов, поддержал теорию Панароли и упомянул это животное несколько раз в своей книге «Оптика» 1704 года, которая охватывает три десятилетия его работы и теории о свете и цвете.

В 1852 году Иоганн Фишер проиллюстрировал в своём трактате о мозге и нервах ящериц часть оптического нерва хамелеона, включая часть спирали, но остальная часть была вырезана с рисунка, а сама спираль так и не была описана.

Более чем полтора века спустя, в 2015 году, Лев-Ари Тидар, магистрант Хайфского университета, описал часть оптического нерва хамелеона как С-образную в своей диссертации. Только после тщательного поиска учёные смогли подтвердить, что опубликованного описания спирали ещё не существует.

Так как же после столетий изучения истинная структура оптических нервов хамелеона могла оставаться скрытой? Ответ кроется в мощности компьютерной томографии и открытых данных. В прошлых публикациях учёные полагались на вскрытия, чтобы заглянуть во внутреннюю работу анатомии хамелеона, но практика часто приводила к смещению или разрушению оптических нервов и скрывала их истинную структуру.

«На протяжении всей истории люди изучали глаза хамелеонов, потому что они интересны», — сказал Стэнли. «Но если вы физически вскроете животное, вы потеряете информацию, которая может рассказать всю историю».

Сегодня технология компьютерной томографии широко распространена в медицине и становится всё более распространённой в исследовательских коллекциях. Рентгеновская компьютерная томография позволяет учёным визуализировать структуры, скрытые внутри образцов, включая пространство под черепом хамелеона.

Видя завитой оптический нерв у одного вида хамелеонов, учёные получили много данных благодаря инициативе oVert (сокращение от openVertebrate). Эта инициатива, запущенная коалицией из 18 учреждений США под руководством Музея естественной истории Флориды, предоставляет бесплатные цифровые 3D модели анатомии позвоночных и данные для исследователей, преподавателей, студентов и общественности.

«Эти цифровые методы революционизируют эту область», — сказал Даза. «Раньше вы не могли обнаружить такие детали. Но с помощью этих методов вы можете увидеть вещи, не влияя на анатомию и не повреждая образец».

Исследовательская группа загрузила и проанализировала компьютерные томограммы более тридцати ящериц и змей, включая три вида хамелеонов, представляющих разнообразные клады семейства. Они создали трёхмерные модели мозга для 18 из этих ящериц и измерили их оптические нервы. У всех трёх изученных видов хамелеонов оптические нервы были значительно длиннее и более закручены, чем у других ящериц.

Команда углубилась в свои исследования, чтобы наблюдать, как эти уникальные оптические нервы формируются во время развития хамелеона. Они измерили оптические нервы на трёх эмбриональных стадиях хамелеона-веила (Chamaeleo calyptratus). На самой ранней стадии оптические нервы эмбриона были прямыми, но перед вылуплением они удлинялись и начинали формировать петли, видимые у взрослых особей. К тому времени, когда хамелеон-детёныш вылупляется, у него уже есть два полностью подвижных глаза.

Однако на эволюционном временном масштабе определить, когда у хамелеонов впервые развилась эта черта, сложнее. Самые старые известные окаменелости хамелеонов датируются ранним миоценом, примерно 16–23 миллионами лет назад, после того как многие из их древесных адаптаций уже эволюционировали. Эти окаменелости не дают много подсказок о порядке или сроках эволюции этих специализированных черт, но это новое наблюдение может помочь учёным начать делать выводы о том, почему они развили уникальную структуру в первую очередь.

Среди позвоночных животные с большими глазами, как правило, используют одну из двух стратегий для расширения поля зрения: двигают шеей или двигают глазами. Совы и лемуры известны первым подходом, поворачивая головы, чтобы сканировать окрестности, пока глаза остаются неподвижными. Другие, например люди, развили эластичные зрительные нервы, которые позволяют глазам двигаться, как телескопам. У грызунов, например, волнистые нервные волокна, которые обеспечивают большую гибкость.

Поскольку хамелеоны имеют ограниченную подвижность шеи, им, вероятно, нужен был другой способ снизить физическую нагрузку при движении глаз. Решением, по-видимому, является завитой оптический нерв, который является адаптацией, наблюдаемой только у немногих других беспозвоночных, таких как длинноглазая муха. Хамелеоны, возможно, развили эту особенность, чтобы дать своим глазам дополнительную слабину, ослабляя напряжение, создаваемое их замечательным диапазоном движений.

«Вы можете сравнить оптические нервы со старыми телефонами», — сказал Даза. «У первых телефонов был простой прямой шнур, прикреплённый к гарнитуре, но потом кто-то придумал намотать шнур и дать ему больше слабины, чтобы люди могли ходить дальше, держа его. Вот что делают эти животные: они максимизируют диапазон движений глаз, создавая завитую структуру».

Даже после тысяч лет наблюдений природа всё ещё может многое рассказать. Учёные теперь задаются вопросом, развили ли другие древесные ящерицы подобные адаптации, и Стэнли и Даза планируют провести дальнейшее исследование.

«Эти гиганты, которых мы цитировали — Ньютон, Аристотель и другие — очаровывали натуралистов на протяжении тысячелетий», — сказал Стэнли. «Интересно быть теми, кто делает следующий шаг на долгом пути к пониманию того, что, чёрт возьми, происходит с хамелеонами».

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте