Хамелеоны столетиями завораживали наблюдателей своей способностью независимо вращать глазами практически в любом направлении. Эта уникальная особенность долго оставалась загадкой для учёных. Теперь, благодаря современным методам визуализации, наконец-то раскрыт анатомический секрет этого феномена: за каждым выпуклым глазом хамелеона скрываются два длинных, спирально закрученных зрительных нерва – такая структура не встречается ни у одного другого вида ящериц.
«Глаза хамелеонов подобны камерам наблюдения, движущимся во всех направлениях», – объясняет Хуан Даза, доцент Университета Сэма Хьюстона и автор нового исследования. Он уточняет, что эти рептилии движут глазами независимо, сканируя окружающую среду в поисках добычи. Но как только жертва найдена, глаза синхронизируются и фокусируются в одном направлении, чтобы хамелеон мог точно рассчитать траекторию выстрела своим языком.
Несмотря на очевидность необычного взгляда хамелеонов, внутренние структуры, обеспечивающие его, долгое время оставались скрытыми от исследователей. Ситуация изменилась в 2017 году, когда Эдвард Стэнли, директор лаборатории цифровой визуализации Музея естественной истории Флориды, во время посещения лаборатории Дазы заметил нечто удивительное. Компьютерная томография миниатюрного листового хамелеона (Brookesia minima) выявила плотно скрученные зрительные нервы – форму, которую он никогда прежде не встречал.
Несмотря на волнение от открытия, оба учёных изначально отнеслись к нему с осторожностью. Учитывая долгую историю изучения хамелеонов, они предположили, что кто-то уже должен был описать подобную структуру ранее.
«Меня удивила сама структура, но ещё больше – то, что никто другой её не заметил», – отмечает Даза. По его словам, хамелеоны являются хорошо изученными животными, и анатомические исследования проводятся на них уже очень давно.
Хамелеоны обитают в разных частях Африки, Европы и Азии, и их удивительные адаптации выходят далеко за рамки способности менять цвет. Они перемещаются по деревьям, используя цепкий хвост для баланса и лапы, похожие на варежки, для осторожных, размеренных шагов. Их неторопливость компенсируется высокоскоростным оружием: языком, способным разогнаться до 96 километров в час примерно за одну сотую секунды. Этот липкий, удлинённый язык может поражать добычу, находящуюся на расстоянии, вдвое превышающем длину тела хамелеона.
Неудивительно, что хамелеоны с их поразительными особенностями тысячелетиями фигурируют в человеческой культуре. Их узнаваемые силуэты, в том числе со свёрнутыми хвостами, встречаются даже в древнеегипетских наскальных рисунках. Убеждённая в том, что кто-то должен был описать спиральные зрительные нервы в более ранней литературе, исследовательская группа перерыла обширные архивы. Они привлекли языковых экспертов для интерпретации старых анатомических трудов, написанных на французском, итальянском и латыни, иногда в запутанной смеси нескольких языков.
Более двух тысяч лет назад Аристотель ошибочно предположил, что у хамелеонов полностью отсутствуют зрительные нервы. Он считал, что их глаза напрямую соединены с мозгом, что, по его мнению, объясняло их независимое движение. В середине XVII века римский врач Доменико Панароли опроверг эту идею, утверждая, что хамелеоны всё же обладают зрительными нервами, но они не пересекаются, как у многих других животных. У большинства позвоночных это пересечение передаёт информацию от правого глаза к левой стороне мозга и наоборот. Панароли полагал, что отсутствие такого перекрёста даёт хамелеонам бóльшую свободу движения глаз.
Исаак Ньютон позже поддержал выводы Панароли, сославшись на хамелеонов в своей книге Optiks 1704 года, которая представляла собой сборник его идей о цвете и свете, накопленных за три десятилетия. Однако французский анатом Клод Перро ещё в 1669 году нарисовал гораздо более точное изображение, демонстрирующее два зрительных нерва, которые пересекались, а затем продолжались прямо. Его иллюстрация получила мало внимания от современников Ньютона, хотя это было одно из самых чётких ранних изображений.
Со временем опубликованные схемы приближались к истинной форме зрительных нервов, но так и не сумели полностью её запечатлеть. Трактат Иоганна Фишера 1852 года по нейроанатомии ящериц включал часть завитка, но упускал остальное, и Фишер никогда не описывал свёрнутую структуру. В 2015 году Лев-Ари Тидар, студент магистратуры Хайфского университета, отметил С-образный участок нерва. И только после тщательного литературного поиска современная исследовательская группа подтвердила отсутствие полного описания завитка.
Причины, по которым такая отличительная особенность оставалась незамеченной так долго, стали ясны, когда учёные изучили исторические методы исследований. Ранние работы в значительной степени полагались на физическое препарирование. Эти процедуры часто повреждали или смещали хрупкие зрительные нервы, делая точные наблюдения практически невозможными.
«На протяжении всей истории люди изучали глаза хамелеонов, потому что они интересны», – говорит Стэнли. «Но при физическом препарировании животного теряется информация, которая могла бы рассказать всю историю».
Сегодня компьютерная томография (КТ) широко используется как в медицине, так и в научных исследованиях. Рентгеновская КТ высокого разрешения позволяет рассмотреть структуры, скрытые внутри законсервированных образцов, включая внутреннюю часть черепа хамелеона.
Обнаружение спирального зрительного нерва у одного хамелеона стало важной зацепкой, но исследователям требовались более широкие доказательства. К счастью, они имели доступ к обширным цифровым ресурсам через проект oVert (от openVertebrate – «открытые позвоночные»). Этот проект, возглавляемый Музеем естественной истории Флориды и объединяющий 18 американских учреждений, предоставляет публичный доступ к 3D-цифровым моделям анатомии позвоночных.
«Эти цифровые методы совершают революцию в данной области», – утверждает Даза. «Раньше подобные детали невозможно было обнаружить. Но с помощью этих методов можно увидеть анатомические особенности, не затрагивая и не повреждая образец».
Используя наборы данных oVert, команда изучила КТ-сканы более чем тридцати ящериц и змей, включая три вида хамелеонов, представляющих основные генеалогические линии. Они создали 3D-модели мозга для 18 из этих рептилий и измерили зрительные нервы у каждого. Все три вида хамелеонов демонстрировали зрительные нервы, которые были значительно длиннее и плотнее скручены, чем у других ящериц. Это подтвердило, что первоначальное открытие в лаборатории Дазы характерно для всей группы.
Затем исследователи изучили, как завитки развиваются у молодых хамелеонов. Проанализировав эмбрионы вуалевого хамелеона (Chamaeleo calyptratus) на трёх стадиях развития, они заметили, что зрительные нервы изначально прямые, удлиняются с течением времени и в конечном итоге образуют петли ещё до вылупления животного. Вылупившиеся детёныши уже обладают полностью подвижными глазами.
Определить, когда именно эта особенность эволюционировала, сложнее. Самые древние известные окаменелости хамелеонов датируются ранним миоценом, примерно 16–23 миллиона лет назад, что значительно позже появления многих их древесных адаптаций. Эти ископаемые не дают много информации о последовательности появления признаков. Тем не менее, недавно задокументированные завитки нервов дают ключ к пониманию того, почему эта адаптация могла возникнуть.
Многие позвоночные с крупными глазами расширяют своё поле зрения одним из двух способов: либо поворачивая голову, либо активно двигая глазами. Совы и лемуры, например, вращают шеей, чтобы осмотреться. Люди и некоторые другие млекопитающие полагаются на эластичные зрительные нервы, которые обеспечивают значительное движение глаз. Грызуны достигают похожего эффекта благодаря волнистым нервным волокнам, добавляющим гибкость.
Однако хамелеоны не обладают гибкой шеей. Исследователи предполагают, что спиральный зрительный нерв развился как обходное решение, обеспечивая дополнительный запас длины и снижая нагрузку на глаза при их вращении. Схожая адаптация наблюдалась лишь у некоторых беспозвоночных, например, у мухи-стебельчатоглазки.
«Можно сравнить зрительные нервы со старыми телефонами, – говорит Даза. – У первых телефонов был просто прямой шнур, прикреплённый к трубке, но затем кому-то пришла в голову идея свернуть шнур, чтобы добавить ему длины и позволить людям отходить дальше, держа трубку. Именно это делают эти животные: они максимально увеличивают диапазон движения глаза, создавая такую свёрнутую структуру».
Даже после тысяч лет изучения хамелеонов, новые открытия продолжают появляться. Теперь учёные задаются вопросом, развили ли другие древесные ящерицы подобные решения. Стэнли и Даза планируют исследовать этот вопрос в будущих работах.
«Эти гиганты, которых мы цитировали – Ньютон, Аристотель и другие – вдохновляли натуралистов на протяжении столетий», – отметил Стэнли. Он добавляет, что быть теми, кто делает следующий шаг на долгом пути к пониманию того, что же на самом деле происходит внутри хамелеонов, очень волнительно.
Своё исследование авторы опубликовали в научном журнале Scientific Reports.
