Как кораллы "видят" свет

Ученые из Высшей школы естественных наук Осакского метрополитенского университета выявили необычный механизм светочувствительности у рифообразующих кораллов. Они обнаружили, что светочувствительные белки – опсины – могут переключаться между восприятием ультрафиолетового и видимого света в зависимости от уровня pH окружающей среды, используя для этого ионы хлора. Это открытие указывает на уникальную функцию, которая расширяет наше понимание процессов зрения и фоторецепции в животном мире.

Зрение животных основано на работе опсинов – белков, способных улавливать свет с помощью молекулы ретиналя. Однако сам ретиналь поглощает только ультрафиолетовое излучение, воспринимая более короткие волны, чем видимый для человека свет. Чтобы обеспечить чувствительность к видимому спектру, ретиналь связывается с опсином, формируя светочувствительный пигмент через особую химическую связь – основание Шиффа. Эта связь несет положительный заряд и обычно требует присутствия рядом отрицательно заряженной аминокислоты, или противоиона, для стабилизации.

У кораллов и актиний обнаружены опсины из недавно выделенной группы, специфичной для этих организмов (ASO-II). Эти белки обладают характеристиками, отличающимися от опсинов млекопитающих. Как же эти опсины способны воспринимать видимый свет без обычных аминокислот?

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые исследовали опсины ASO-II у рифообразующего коралла Acropora tenuis. С помощью мутационных экспериментов, спектроскопии и целевого продвинутого моделирования они выяснили, что вместо аминокислот опсины ASO-II используют ионы хлора (Cl⁻) из окружающей среды в качестве противоионов. Это стало первым задокументированным случаем, когда опсин применяет неорганические ионы таким образом.

Это указывает на механизм, при котором чувствительность опсина определяется состоянием протонирования связи ретиналь-опсин, известной как основание Шиффа, при этом pH среды смещает этот баланс. При низком pH концентрация протонов выше, что делает основание Шиффа положительно заряженным и позволяет поглощать более длинные волны, включая видимый свет, стабилизируясь за счет хлорид-ионов. При высоком pH протонов меньше, основание Шиффа депротонируется и поглощает преимущественно ультрафиолетовое излучение.

Такое переключение, зависящее от pH, может иметь экологическое значение. Кораллы находятся в тесной симбиотической связи с водорослями, которые вырабатывают питательные вещества через фотосинтез. Поскольку фотосинтез изменяет pH внутри клеток кораллов, это может сдвигать чувствительность опсинов между видимым и УФ-светом. Таким образом, кораллы способны адаптировать свою светочувствительность в зависимости от фотосинтетической активности водорослей – новое понимание их симбиотических взаимоотношений.