Основная цель офтальмологических исследований сотрудников лаборатории последних лет – создание адекватного представления о механизмах аккомодации у человека и развитии этих механизмов в постнатальном онтогенезе. Анализ обширной литературы и собственных экспериментальных данных выявил противоречивость принимаемой большинством офтальмологов концепции эмметропизации, согласно которой глаз человека претерпевает постепенное превращение из гиперметропического (дальнозоркого) у младенцев в эмметропический (соразмерный, нормальный) у подростков. Ключевое для данной концепции понятие эмметропического глаза опирается на устаревшее представление Гельмгольца, считавшего, что в состоянии покоя аккомодации нормальный глаз должен быть настроен на бесконечность. Однако к настоящему времени твердо установлено, что у подавляющего большинства людей покой аккомодации соответствует вовсе не бесконечности, а некоторой весьма близкой зоне. Значит, понятие «эмметропический глаз» в прежнем виде - это фикция, и его нельзя рассматривать как образец, к которому стремится развивающийся глаз ребенка.

Офтальмологи обычно игнорируют то обстоятельство, что при оценке рефракции глаза в естественных условиях (без циклоплегии) у большинства младенцев обнаруживается не гиперметропия (характерная для условий циклоплегии), а миопия. Это расхождение легко объяснить, учитывая особенности функционирования зрительной системы младенцев.

Почему измерения рефракции в естественных условиях выявляют у младенцев миопию, т.е. удовлетворительную настройку глаза только на близкие расстояния? Скорее всего потому, что наиболее важные для жизни объекты находятся в непосредственной близости от глаз (Рис. 1а). В первые недели жизни сильно выпуклый и почти нерегулируемый хрусталик автоматически обеспечивает относительно хорошую фокусировку близких объектов. Более того, при учете типичных условий рассматривания ребенком лица матери в первые месяцы жизни удается понять специфическое и, на первый взгляд, странное распределение рецепторов в сетчатке новорожденных, характеризующееся повышенной плотностью не в центре сетчатки, а в кольце диаметром около 5^о. Когда ребенок находится на руках у матери, в область такого кольца на сетчатке как раз попадают проекции наиболее важных для идентификации и наиболее контрастных элементов лица: глаз и рта (Рис. 1б).

            Рис. 1. Наиболее важный для младенца объект (а) и сопоставление кольца максимальной плотности рецепторов в сетчатке с проекцией лица человека (б).

Почему измерения в условиях циклоплегии выявляют у младенцев гиперметропию? Прежде чем ответить на этот вопрос, подчеркнем, что показатель рефракции в условиях паралича цилиарной мышцы отражает вовсе не состояние настройки глаза на бесконечность, а состояние предельного расслабления мышцы, т.е. предел изменения ее тонуса для изменения фокуса в сторону увеличения. Этот предел соответствует сумме рефракции, требующейся для точной настройки на бесконечность (0 дптр), и амплитуды изменений рефракции, необходимой для нахождения оптимума фокусировки. Из-за низкой контрастной чувствительности младенцам нужно более значительное изменение фокуса, чем взрослым, чтобы зафиксировать повышение/снижение четкости сетчаточного изображения и найти оптимум фокусировки. Если большинство взрослых замечает расфокусировку в 0.1–0.2 дптр, то младенцам для этого требуются единицы диоптрий. Именно с этим может быть связана значительная кажущаяся «гиперметропия» младенцев в условиях циклоплегии: она отражает потенциальную способность аккомодационной системы младенцев дальше сдвигать фокус относительно сетчатки.

В ходе развития ребенка параллельно повышению контрастной чувствительности, естественно, уменьшается и необходимая амплитуда сдвига фокуса относительно сетчатки, что должно приводить к постепенному уменьшению «гиперметропии», регистрируемой в условиях циклоплегии. Именно такая динамика рефракции была описана многими авторами и послужила основой концепции эмметропизации. Однако, на наш взгляд, эта динамика отражает не превращение глаза из гиперметропического в эмметропический, а постепенное уменьшение амплитуды флуктуаций аккомодации, необходимых для фокусировки сетчаточных изображений, в связи с повышением контрастной чувствительности. Поскольку зрелой системе для нахождения оптимума достаточно 0.1–0.2 дптр, предельное положение фокуса у взрослых приближается к 0 дптр – состоянию настройки на бесконечность.

Новые представления о работе аккомодационного механизма коррелируют с нашими данными, полученными в результате параллельных измерений клинической рефракции и остроты зрения у школьников (Рис. 2). Эти данные демонстрируют наличие повышенных значений остроты зрения на промежуточных расстояниях (в зоне покоя аккомодации) при разных значениях клинической рефракции. Существование оптимумов, по-видимому, связан с тем, что используемые для оценки остроты зрения мелкие околопороговые стимулы не могут удовлетворительно обеспечивать контроль аккомодации, а в отсутствие эффективных аккомодационных стимулов система имеет тенденцию «скатываться» к состоянию покоя (уровню тонической аккомодации). В результате, вблизи точки, соответствующей этому уровню, фокусировка будет относительно хорошей и стабильной даже при мелких стимулах, а при удалении от этой точки в обе стороны вероятность сбоев и ошибок будет увеличиваться.

      Рис. 2. Средние значения остроты зрения для разных расстояний наблюдения у младших школьников с различной клинической рефракцией (от -2.0 до + 1.0 дптр).

Полученные результаты важны не только для формирования адекватного представления о работе аккомодационного аппарата человека, но и для офтальмологической практики. Во-первых, они указывают на целесообразность изменения структуры таблиц или процедур для точной оценки остроты зрения. Во-вторых, их нужно учитывать при разработке новых методов лечения и профилактики миопии. В частности, в предварительных экспериментах нами показано, что добавление специальных фоновых аккомодационных стимулов к тренировочным тест-объектам может способствовать повышению остроты зрения для дали за счет стабилизации и усиления сигналов обратной связи.

Среди проблем химической коммуникации вопросы индивидуального узнавания животных и человека по запаху разработаны в наименьшей степени. Это связано с большими методическими трудностями выявления индивидуально значимых веществ, среди огромного количества обонятельных стимулов неизвестной химической природы, выделяемых особью. Однако, уже очевидно, что индивидуальные запаховые коды содержат большое количество информации о каждой особи и играют огромную роль в поведении человека и животных. Например, в выборе брачного партнера - одной из наиболее ответственных задач в жизни любого организма, способного к такому выбору. От того, насколько удачным окажется сочетание генов двух родителей, зависит судьба потомства. Необходимо выбрать не просто партнера, а партнера, наиболее подходящего именно для особи осуществляющей выбор, наиболее комплементарный генотип. Не подлежит сомнению, что у млекопитающих индивидуальный запах, во-первых, специфичен для каждой особи, и, во-вторых, несет большой объем информации о генетическом статусе. Эта информация расшифровывается сородичами, причем в ее интерпретации большую роль играет сравнение данных о статусе «тестируемого» индивида с аналогичными данными о самом себе. От результатов таких сравнений часто зависит выбор брачного партнера. Экспериментально доказана связь половых предпочтений у млекопитающих с главным комплексом гистосовместимости (MHC) или HLA у человека. Мы предположили, что такой важной информацией могут быть сведения о факторах крови, например, системах АВ0 и резус.

Известно, что частота встречаемости резус-отрицательного аллеля d составляет среди жителей Восточной Европы около 15%, следовательно вероятность образования пары, в которой оба супруга резус-отрицательны составляет 0,02. При опросе случайно 224 выбранных супружеских пар оказалось, что в 38 из них оба супруга резус-отрицательны. Этот результат свидетельствует о том, что выбор партнера по этому далек от случайного. Источникам информации о резусе большой вероятностью служит индивидуальный запах, в чем мы попробуем убедиться в дальнейшем. Наличие индивидуального запаха у млекопитающих не подлежит сомнению. А существует ли индивидуальный запах у беспозвоночных животных? Сведения об индивидуальном запахе у беспозвоночных животных очень скудны. В первую очередь это обусловлено тем, что при работе на беспозвоночных очень трудно убедиться в том, что индивидуальное распознавание присуще этим животным. Первый вопрос, на который необходимо получить ответ при исследовании индивидуального распознавания по запаху – а есть ли вообще индивидуальный запах у данного вида животных. Для ответа на этот вопрос мы использовали специально обученных собак. Собака - редкий по доступности и изученности вид для которого доказано, что она запоминает и узнает различные смеси запахов, выделяя их из еще более сложных смесей, что используется в криминалистике, службе безопасности. Собаке недоступны другие ключи индивидуального распознавания (окраска, акустические сигналы и т.д.), она может руководствоваться только запахом, поэтому использование собак позволяет узнать возможно ли для каких-то животных дистантное индивидуальное распознавание по запаху. Взяв за основу метод множественного выбора по образцу, который применяется в криминалистике для идентификации индивидуальных запахов людей, мы показали, что собака легко выбирает одну особь некоторых видов насекомых в ряду других особей того же вида, пола, возраста и т.д, то есть по крайней мере особям 5 видов насекомых присущ индивидуальный запах.

Наши исследования направлены на решение таких фундаментальных проблем видообразования как порядка возникновения изолирующих механизмов и темпов видообразования. Как показывают многочисленные данные, накопленные в последние десятилетия, во многих случаях оказываются первичны прекопуляционные изолирующие механизмы, в частности, этологическая изоляция. К настоящему времени среди самых различных групп животных известны примеры близкородственных видов, различающихся лишь по брачным сигналам или сигналам ухаживания (mating signals). Эти виды могут быть сходны морфологически и способны скрещиваться в лабораторных условиях в отсутствии выбора, производя жизнеспособное потомство, однако практически не скрещиваются в природе. Очевидно, что между этими видами выработаны только этологические изолирующие механизмы. Такие виды оказываются идеальными объектами исследований роли полового отбора в видообразовании.

           Рис. 3. Схема акустической коммуникации саранчовых подсемейства Gomphocerinae.

Основной объект наших исследований – саранчовые подсемейства Gomphocerinae (Insecta, Orthoptera). Саранчовые активно используют акустические сигналы для поиска полового партнера (Рис. 3). Самцы издают так называемые призывные сигналы для привлечения самок на расстоянии, рецептивные самки также могут отвечать акустически, после чего они сближаются. Когда же самец оказывается рядом с самкой, он издает сигнал ухаживания, который у многих видов оказывается более длительным и сложным по амплитудно-временной структуре, чем призывный сигнал, кроме того, он может сопровождаться визуальными сигналами, например, специфическими движениями частей тела. Призывный сигнал должен обладать высокой помехоустойчивостью, т.е. содержать набор признаков, которые надежно детектируются на фоне шума и других одновременно поющих видов прямокрылых. Было показано, что призывные сигналы одного вида из разных географических точек обладают стабильностью и относительно мало изменчивы (Vedenina, Bukhvalova, 2001). Сигналы ухаживания, напротив, обладают более высокой изменчивостью. Перед особями противоположного пола стоит задача не только распознать конспецифическую особь, но и оценить ее «качество». Вариабельный сигнал дает большую возможность самкам для выбора и самцам для соревнования, особенно при определенных стратегиях полового поведения, например, при «токах», характерных для ряда видов саранчовых (Веденина, 2005). Цель нашей работы – показать, что сигналы ухаживания саранчовых могут быстро эволюционировать под действием полового отбора.

Мы исследовали близкородственные виды группы Chorthippus albomarginatus, которые сходны не только по морфологическим признакам, но и по призывным сигналам. Пять европейских видов этой группы занимают разные ареалы, которые в ряде случаев образуют контактные зоны. Нами было показано, что два вида, Ch. albomarginatus и Сh. oschei, гибридизируют в контактной зоне на территории Украины и Молдавии (Vedenina, Helversen, 2003), что свидетельствует о неокончательно установленных изолирующих барьерах у данных видов. Изучение жизнеспособности лабораторных F₁ и F₂ гибридов выявило очень незначительное, хотя и достоверное, снижение жизнеспособности гибридов по сравнению с потомством родительских видов. Это свидетельствует о слабой посткопуляционной изоляции. Поведенческие эксперименты, проведенные в условиях равного выбора, показали высокую избирательность самок родительских видов: в 80–90% случаев самки выбирали самцов своего вида (Веденина и др., 2007). Таким образом, прекопуляционная изоляция между данными видами относительна велика.

При выборе между родительскими видами и гибридами, самки демонстрировали неодинаковую избирательность: самки Ch. albomarginatus были менее селективны, чем самки Ch. oschei. Гибридные самки также предпочитали самцов Ch. albomarginatus самцам Ch. oschei. Эти результаты говорят о том, что сигнал Ch. albomarginatus можно считать более древним, чем сигнал Ch. oschei. Это предположение подтвердилось в ходе генетического анализа сигналов ухаживания. Мы анализировали не только акустический компонент сигнала, но и моторику движений ног. Оказалось, что сигналы F₁ и F₂ гибридных самцов несут в себе больше признаков Ch. albomarginatus, чем Ch. oschei (Vedenina et al., 2007).

Примечательно, что гибридные сигналы несли в себе новые признаки, не характерные для родительских сигналов. Генетический анализ количественных признаков также показал, что наследование различных параметров сигнала ухаживания наиболее согласуется с III типом генетической архитектуры, которая подразумевает дуплицированные пары локусов и неаллельные взаимодействия. Этот тип генетической архитектуры может обеспечить появление новых элементов в гибридных песнях, и, таким образом, предоставляет богатый материал для полового отбора (Vedenina et al., 2007).

К настоящему времени получены новые, еще неопубликованные данные по структуре гибридных зон между Ch. albomarginatus, Ch. oschei и третьим видом данной группы, Ch. karelini, на территории Украины. Предварительный анализ предполагает, что гибридные зоны не расширяются, а они скорее стабилизированы, или даже в них происходит усиление прекопуляционных изолирующих барьеров.

Чтобы понять, как соотносится время дивергенции видов группы Ch. albomarginatus с другими видами саранчовых подсемейства Gomphocerinae, мы начали проведение молекулярного анализа последовательностей митохондриального гена COI и ядерных генов ITS1 и ITS2 совместно с сотрудниками ИБР РАН им. Н.К. Кольцова. Анализ выявил минимальные различия между видами группы Ch. albomarginatus, сравнимые с межпопуляционными различиями у некоторых других видов. В ближайшее время предполагается сравнить виды с разной стратегией поиска полового партнера. Мы ожидаем, что молекулярный анализ выявит большие различия между близкородственными видами, которые не ухаживают, тогда как виды, демонстрирующие сложное поведение ухаживания, будут различаться малым числом замен нуклеотидов. Это будет свидетельствовать, что темпы видообразования в подсемействе Gomphocerinae различны в группах видов с разной стратегией полового поведения.

Сравнительно недавно еще одним объектом наших исследований, направленных на решение проблем видообразования, стали близкородственные виды группы Drosophila virilis (Insecta, Diptera). У данных видов поведение ухаживания представляет собой последовательность стереотипных актов, включающих в себя химическую, акустическую, зрительную и тактильную коммуникацию. Однако на данный момент недостаточно исследована видоспецифичность ритуалов ухаживания у близкородственных видов, в частности, какой компонент сигнала ухаживания является ключевым для распознавания вида, а какой – для определения «качества» партнера. В ходе поведенческих экспериментов на шести близкородственных видах группы D. virilis показано, что ухаживание за гетероспецифической самкой, как правило, прекращалось на первой стадии обмена химическими сигналами, стадии ощупывания. Мы предполагаем, что роль контактной хеморецепции в распознавании полового партнера в данной группе видов особенно велика. Нами были получены F1 и F2 гибриды между парами видов D. virilis и D. lummei, D. аmericana и D. littoralis, что свидетельствует об отсутствии посткопуляционных изолирующих барьеров. В дальнейшем планируется продолжить эксперименты по межвидовым скрещиваниям как интактных, так и оперированных особей (операция подразумевает удаление того или иного компонента сигнала ухаживания).