Представьте существо без мозга, без центральной нервной системы, которое при этом обладает двумя дюжинами глаз, часть из которых по сложности не уступает человеческим. У них есть роговица, хрусталик, сетчатка и даже диафрагма, меняющая размер зрачка.
Эти глаза различают цвета, видят движущиеся объекты и формируют изображение. Но самое поразительное — они умеют учиться на собственном опыте. Речь о кубомедузах — ядовитых морских созданиях, которые миллионы лет назад обогнали в эволюционной гонке всех своих студенистых родственников и обзавелись зрением, достойным позвоночных.
Четыре ропалия — двадцать четыре глаза
Кубомедузы получили своё название из-за формы зонтика — на поперечном срезе он имеет квадратную форму . Это единственные медузы, которых из-за уникального зрения выделили в отдельный класс Cubozoa, отделив от остальных сцифоидных медуз.
На четырёх сенсорных выростах — ропалиях — расположены все 24 глаза. Каждый ропалий несёт шесть глаз четырёх разных типов: два простых глазка (ямковидный и щелевидный) и два камерных глаза — верхний и нижний, которые по строению напоминают глаза позвоночных.
Камерные глаза кубомедуз имеют всё, что полагается настоящему глазу: роговицу, хрусталик, сетчатку, пигментный слой и даже диафрагму, реагирующую на изменение интенсивности света. Коэффициент преломления в центре хрусталика достигает 1,48 — это сравнимо с показателями хрусталиков рыб.
Оптический парадокс: идеальная оптика с намеренной расфокусировкой
Исследователи Лундского университета в Швеции, много лет изучающие кубомедуз Tripedalia cystophora, сделали парадоксальное открытие. При изучении преломляющих свойств хрусталиков выяснилось, что их оптика идеальна — лучи фокусируются без искажений. Однако геометрия глаза устроена так, что фокусное расстояние превышает расстояние до сетчатки. Изображение фокусируется не на сетчатке, а за ней.
У другого вида, Chiropsella bronzie, ситуация ещё интереснее: круги расфокусировки составляют от 20 до 52 градусов в зависимости от состояния зрачка, что полностью убирает из изображения все, кроме самых крупных деталей. А верхнеглазной хрусталик у этого вида вообще не имеет значительной оптической силы.
Зачем природе понадобилось создавать идеальные линзы, чтобы потом намеренно испортить фокусировку? Учёные предположили, что глаз кубомедузы работает как пространственный низкочастотный фильтр. Он отсекает мелкие детали (планктон, взвесь), но прекрасно видит крупные неподвижные объекты. Для медузы, обитающей в мангровых зарослях, это идеальный вариант: ей нужно лавировать между корнями и стеблями, а не разглядывать каждую мелочь.
Как они видят без мозга
Кубомедузы лишены центральной нервной системы в привычном понимании. У них нет мозга, а нервная система представлена нервным кольцом с восемью ганглиями — скоплениями нервных клеток. Четыре из них связаны с ропалиями, ещё четыре иннервируют щупальца. Каждый ропалий буквально набит нервными клетками и волокнами.
Учёные с удивлением обнаружили, что удаление ропалиев приводит к полной остановке плавательных движений. Оказалось, что командные мотонейроны, запускающие сокращения зонтика, идут именно из ропалиев. Зрительная информация передаётся непосредственно на двигательные мотонейроны, минуя вставочные нейроны. Поэтому зрительное раздражение может мгновенно запускать двигательную реакцию.
Доктор биологических наук Варвара Веденина, комментируя исследования Лундского университета, поясняет:
«Анализ зрительной информации, который у высших животных происходит в центральной нервной системе (то есть в мозге), у кубомедуз вынесен на крайнюю периферию. Польза от такой организации нервной системы очевидна».
Цветовое зрение и реакция на движение
Долгое время учёные спорили, могут ли кубомедузы вообще использовать своё зрение для получения пространственной информации или их глаза — просто «неиспользуемый артефакт». Эксперименты на медузах рода Charybdea доказали обратное.
Исследователи Джейми Теобальд и Мелисса Коутс из Лундского университета провели поведенческие эксперименты, чтобы проверить способность медуз к цветоразличению и обнаружению движения. Настоящее цветовое зрение требует сравнения ответов от фоторецепторов с разной спектральной чувствительностью. Обнаружение движения требует сравнения ответов фоторецепторов из разных участков сетчатки в разные моменты времени. Charybdea успешно справились с обеими задачами.
Однако электроретинограммы, записанные с помощью присасывающихся электродов у Tripedalia cystophora и австралийского вида Chiropsalmus sp., показали, что фоторецепторы линзовых глаз довольно медлительны и имеют динамический диапазон около трёх логарифмических единиц. Кривые спектральной чувствительности для всех глаз достигают пика в сине-зелёной области, что хорошо согласуется с теоретической кривой поглощения одного опсина. Это говорит о том, что кубомедузы, скорее всего, не различают цвета — их зрение монохромно.
Охотничья стратегия «светового столба»
Как же кубомедузы используют своё необычное зрение? Tripedalia cystophora обитает на мелководье в мангровых зарослях Карибского моря и охотится на рачков-копепод. В солнечные дни копеподы образуют плотные скопления в вертикальных столбах света, которые пробиваются между корней мангров. Медуза видит световой луч и начинает быстро плавать взад-вперёд, многократно пересекая его. Благодаря этой простой, но эффективной стратегии множество копепод попадают в её щупальца.
Австралийский вид Tripedalia cystophora живёт в тех же мангровых лагунах, полных корней и других подводных препятствий. Недавние исследования показали, что эти медузы способны к ассоциативному обучению — они могут научиться избегать столкновений с препятствиями на основе зрительных сигналов.
Кен Ченг из Университета Маккуори в своей статье для Current Biology так комментирует это открытие:
«Медуз тестировали в цилиндре со стенками, чтобы увидеть, смогут ли они научиться реже ударяться о стенку. Когда стенки были серыми с белыми полосами (трудно различимый узор), медузы сначала часто врезались, но за 7,5 минут научились этого избегать. В контрольных условиях, когда стенки были однотонно-серыми, такого обучения не происходило».
Исследователи сумели даже изолировать ропалий и показать, что классическое обусловливание (связывание зрительного стимула с механическим раздражением) меняет частоту водителя ритма плавания — то, что in vivo выглядело бы как избегание препятствия. В нервной системе, состоящей всего из 1000 нейронов на один ропалий, происходит то, что мы называем обучением.
А вы задумывались, что существо без мозга, с нервной системой из тысячи клеток, способно учиться на своих ошибках быстрее некоторых школьников?
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы не пропускать новые рассказы об удивительных обитателях подводного мира, и сделайте репост — друзьям будет интересно узнать о медузе, у которой 24 глаза и почти человеческое зрение!