Одноклеточный морской планктон, хищный микроб, имеет темно-пурпурное пятно, известное как оцеллоид. Он настолько похож на многоклеточный глаз животных, что изначально был ошибочно принят за часть животного, съеденного варновиидами.
Старшие научные сотрудники Канадского института перспективных исследований Брайан Линдер и Патрик Килинг руководили ведущим автором Грегом Гавелисом из Университета Британской Колумбии и в сотрудничестве со старшим научным сотрудником Кертисом Саттлом показали, что эта похожая на глаз структура содержит набор субклеточных органелл, которые выглядят очень похож на хрусталик, роговицу, радужную оболочку и сетчатку многоклеточных глаз, которые могут обнаруживать объекты – известные как глаза камеры – которые встречаются у людей и других более крупных животных.
Исследователи собрали единичные клетки варновиид у берегов Б.C. и Япония, секвенировали свои геномы и проанализировали, как строятся глаза, с использованием новых методов электронной микроскопии, которые позволяют реконструировать трехмерные структуры на субклеточном уровне.
Они обнаружили, что слой взаимосвязанных митохондрий, органелл, которые снабжают клетки энергией, окружает прочную линзу и составляет у варновидов эквивалент роговицы. Кроме того, сеть взаимосвязанных пластид, возникшая в результате древнего симбиоза с красными водорослями, излучается от тела сетчатки.
Пластиды имеют собственный геном и отвечают за сбор энергии из света фотосинтезирующими растениями и водорослями. Ученые определили, что тело сетчатки содержит пластидный геном, предполагая, что компоненты светособирающего механизма могли быть адаптированы для использования при обнаружении света для сенсорных функций, а не для получения энергии.
Ученые до сих пор не знают, как именно варновииды используют структуру, похожую на глаз, но сведения о том, как они живут, породили убедительные предположения. варновииды охотятся на других динофлагеллят, многие из которых прозрачны. У них есть большие нематоцисты, которые Леандер описывает как «маленькие гарпуны» для ловли добычи. А у некоторых есть поршень – щупальце, которое может очень быстро выдвигаться и втягиваться – с неизвестной функцией, которую можно использовать для побега или кормления.
Команда предполагает, что подобные глазам структуры помогают варновиидам обнаруживать свою динофлагеллятную добычу и отправлять химические сообщения для связи с другими частями клетки. Динофлагелляты имеют уникально большое ядро с плотно упакованными хромосомами, которые могут изменять поляризацию проходящего через них света.
Одна из возможностей может заключаться в том, что варновииды могут обнаруживать изменение ориентации света, когда он проходит через их прозрачную жертву, показывая им, в каком направлении охотиться.
«Внутренняя организация тела сетчатки напоминает поляризационные фильтры на линзах фотоаппаратов и солнцезащитных очков», – говорит Леандер. "Сотни плотно упакованных мембран выстроились параллельно."
Окончательные доказательства того, как функционируют оцеллоиды, пока остаются неуловимыми, потому что варновиидов очень трудно найти, и они никогда не выращивались в лаборатории. Команда преодолела эту проблему, проведя свои исследования на отдельных клетках, изолированных от природы.
Работа проливает новый свет на то, как очень разные организмы могут развивать сходные черты в ответ на окружающую их среду – процесс, известный как конвергентная эволюция. Глазоподобные структуры развивались независимо много раз у разных видов животных и водорослей с различной способностью определять интенсивность света, его направление или объекты.
«Когда мы видим такую схожую структурную сложность на принципиально разных уровнях организации в родословных, которые очень отдаленно связаны друг с другом, в данном случае варновииды и животные, тогда вы получаете гораздо более глубокое понимание конвергенции», – говорит Леандер.
«Проекту способствовало объединение различного опыта, накопленного в лабораториях трех стипендиатов CIFAR и тульских исследователей», – говорит Леандер. Это были центры лаборатории Саттла по морским вирусам, лаборатории Килинга по сравнительной геномике и лаборатории Леандера по эволюционной морфологии. Килинг, Саттл и Леандер являются участниками программы CIFAR Integrated Microbial Biodiversity.
Исследование будет опубликовано в печатном номере журнала Nature от 9 июля.