Читать онлайн История зрения: путь от светочувствительности до глаза бесплатно

Как развивалось зрение

Зрение – это функция живых организмов. Жизнь зародилась миллиарды лет назад из химических веществ, к тому моменту их накопилось очень много, и, скорее всего, они находились в жидкой среде.

Химические реакции вели к усложнению органических соединений. С химической точки зрения началом жизни можно считать появление молекул, способных копировать себя, потому что самовоспроизведение – это основное свойство жизни, с этого начинается естественный отбор.

Сложные молекулы первыми научились воспроизводить себя – из материалов, которые находились в окружающем их первичном бульоне. Вероятно, первыми репликантами были не ДНК или РНК, а более простые молекулы. С появлением ДНК на Земле стала развиваться жизнь. Известный популяризатор науки Ричард Докинз в книге «Эгоистичный ген» (прочитайте ее, если еще этого не сделали) называет наши тела и любые другие формы жизни лишь машиной для выживания ДНК.

ДНК – это молекула (файл), она несет закодированную информацию, которая записана в ее структуре в виде повторяющихся нуклеотидов. Как и любой файл, ДНК может быть скопирована и размножена. В живых организмах постоянно происходит создание копий ДНК. Такой процесс называется репликацией. С ДНК считывается информация, на основании которой строятся белки организма. Химические процессы, которые идут в открытой среде, не локализуются в одном месте, поэтому существование жизни невозможно без ограничения их в пространстве. Так возникла клеточная мембрана, так возникла клетка и постепенно бессмертный репликант (двойник).

По мнению ученых, до того как появилась первая жизнь, в первобытном бульоне было много органических веществ, которые и служили питанием первым организмам. Клеточная стенка играла еще одну роль – удерживала обменные химические процессы в одном ограниченном объеме. Постепенно бессмертный репликант ДНК доусложнялся до того, что возникли мы с вами и весь живой мир, нас окружающий. История показывает, что это далеко не конец. Процесс развития и усложнения все еще продолжается. Естественный отбор – бездумный и безэмоциональный – не оставил нам никого, кто реплицировался неудачно, не имел возможности или желания это делать. Конечно, у примитивной формы жизни нет сознания и она не ставит перед собой цели выжить. И вообще не ставит никаких целей – она хоть и относительно сложный, но все же просто каскад химических реакций. Естественный отбор, основной двигатель эволюции, привел к тому, что снова и снова повторялись те из этих химических реакций, которые можно назвать успешными и полезными.

Когда между креационистами (см. вставку с. 12) и учеными идет спор о последовательной эволюции, первые приводят в качестве примера глаз – очень сложный орган, который, по их мнению, не мог возникнуть в результате естественного отбора. Именно поэтому мы вступаем с ними в воображаемую дискуссию.

Фактически никакого спора давно нет. Ученые – профессионалы, занимающиеся биологией, – не ставят под сомнение факт эволюции зрения и всего живого мира. Когда я говорю о споре с креационистами, то имею в виду, что есть приверженцы различных религий, приводящие свои аргументы, которые могут произвести впечатление и показаться убедительными для неспециалистов. Что касается науки как среды общения ученых, эволюция – не просто теория, это факт. Обсуждаются лишь детали и уточнения.

Креационизм

Религиозная и философская концепция, согласно которой основные формы органического мира, человечество, планета Земля, а также мир в целом рассматриваются как непосредственно созданные Творцом, или Богом. Креационистские концепции варьируются от чисто религиозных и философских до претендующих на научность.

Очень многие креационисты понимают эволюцию неправильно – как случайность. Поэтому они ставят неправильные вопросы, выдавая их за основные вопросы эволюции, и сами же на них отвечают. Мне была бы интересна дискуссия с креационистами. Думаю, стоит обсудить этот момент, чтобы уже не возвращаться к нему. В отношении глаза приводится постулат неупрощаемой сложности (irreducible complexity). Американский биохимик Майкл Бихи (Michael Behe)[1] сформулировал концепцию, которая заключается в том, что некоторые структуры не могли возникнуть благодаря процессу эволюции, потому что любые предшествующие стадии развития этого органа не выполняли бы требующиеся от него функции и, следовательно, не могли бы закрепиться, за ненадобностью хозяину. Будучи обузой, они снижали бы его шансы на выживание (но все же справедливо подчеркивается, что естественный отбор не оставляет ничего лишнего, из того что может понадобиться следующим поколениям). Примеров много. У змеи якобы укус не может быть ядовитым потому, что создание сразу сложного яда маловероятно, а яд, безвредный для жертвы, не закрепился бы, потому что это бесполезно. Следовательно, вся система ядовитого укуса змеи не может быть реализована путем отбора. Электрический орган ската бесполезен на всех стадиях, когда сила тока была недостаточной, поэтому каким-то образом развился сразу мощный разряд. Бихи так увлекся этой концепцией, что даже написал книгу, в которой пришел к выводу, что через случайные мутации эволюция невозможна. Глаз человека чаще всего упоминается в связи с концепцией неупрощаемой сложности. Согласно доводам креационистов, предглаз не может быть выгоден своему обладателю, следовательно, его не могло бы быть, а если представить себе, что глаз сразу возник таким сложным, то легче допустить, что его создал Бог: случайность не может быть творцом такой сложности.

В понимании обывателя случайность – основной двигатель эволюции, и у него появляется вопрос: может ли такой сложный орган, как глаз, возникнуть случайно? Надо отдать должное: образованные креационисты и религиозные деятели не отрицают биологическую эволюцию, понимают ее и таких вопросов не ставят. Согласных с тем, что биологическая эволюция – факт, в настоящее время становится все больше, и среди них можно встретить даже епископов.

Однако на вопрос, может ли глаз возникнуть по воле случая, ответ должен быть таким: конечно же нет. Глаз – это результат работы естественного отбора, который совсем не случаен.

Ошибка концепции неупрощаемой сложности заключается именно в том, что на самом деле более простой глаз идеально подходил его обладателю, то есть нашему предку. Каждое последовательное изменение было полезно его хозяину и в возникающих условиях помогало ему выжить. Плоскому червю будет мешать совершенный глаз человека и даже рыбы, для него совершенен именно его примитивный, в нашем понимании, глаз, именно такой нужен ему для выживания.

Случайность лишь предлагает естественному отбору различные варианты, при этом она опять же не так важна. У эволюции жизни на Земле было очень много времени для случайностей. Не возникнет эта случайность сегодня – возникнет завтра, через 100 или 1000 лет. По нашим меркам это большие сроки, по меркам эволюции – ничтожные, однако они могут многое менять.

Приведу пример – аналогию с нобелевскими лауреатами. Насколько справедливым будет утверждение, что Норвежский нобелевский комитет награждает премиями «случайных прохожих»? Абсурд. Тем не менее нобелевские лауреаты – вполне себе «прохожие», и во многом случайные. Просто чтобы получить Нобелевскую премию, нужно соответствовать еще нескольким крайне незначительным параметрам. Их не так много: необходимо иметь высокий уровень владения темой, понять, какое значимое для человечества открытие просится быть открытым, и совершить его. Естественный отбор, а не случайность: сначала из тысяч юношей и девушек остались те, кто заинтересуется биологией и медициной; затем приемная комиссия отбирает тех, кто поступит в университет; среди окончивших остаются те, кому нескучно заниматься наукой, а среди занимающихся – кто-то понял, на пороге чего он стоит, и сделал открытие. И вот только таких «прохожих» видит комитет по Нобелевской премии. Чем еще хорош пример с нобелевскими лауреатами? Мы чтим и уважаем этих людей. Однако вполне отчетливо понимаем, что, если конкретный ученый в этом году не сделает какое-то значимое открытие, оно все равно будет сделано, причем очень скоро, и тогда лауреатом станет просто кто-то другой, а мы, потребители науки, ничего не потеряем. Точно такая же тенденция наблюдается и в процессе эволюции. Так, например, удобные новшества появлялись в процессе эволюции несколько раз и иногда разными путями.

Естественный отбор

В результате естественного отбора чаще выживают те, кто максимально адаптирован к окружающей среде. Термин популяризовал Чарльз Дарвин, сравнивая этот процесс с искусственным отбором, современная форма которого – селекция. Идея сравнения искусственного и естественного отбора состоит в том, что в природе тоже происходит отбор наиболее удачных, лучших организмов, но в роли оценщика полезности свойств выступает не человек, а среда обитания. Материалом как для естественного, так и для искусственного отбора служат небольшие наследственные изменения, накапливающиеся из поколения в поколение.

Доводы креационистов эмоциональны. Вероятно, креационизм и религия дают человеку смысл существования, чем и притягательны, а также возможность воспринимать свою жизнь как проявление какой-то цели и предназначения. Увы, вынужден разочаровать: наше существование – лишь следствие бесцельного развития живого мира под влиянием естественного отбора. Бессмертные репликанты-ДНК путешествуют во времени, а мы – лишь машины для их выживания. Но раз уж нам дан интеллект, никто не мешает самим устанавливать смысл и цели своего присутствия на Земле. Например, изучать природу и побуждать к тому же других путем написания книг.

Естественный отбор слеп, глуп и безэмоционален. Каскады химических реакций, идущих тем путем, что и вся система, сохранились, остальные – миллионы неудачных – канули в Лету. Они прервались, не произошли, не стали началом каскада превращений, который длится миллиарды лет. Все это время жизнь на планете Земля продолжается, постоянно проходя через сито изменяющихся условий существования. Ричард Докинз[2] называл естественный отбор слепым часовщиком (так называется его книга Blind Watchmaker), имея в виду, что он слепо и без эмоций создает шедевр, просто отсеивая все несовершенное. Это ответ на известную «Аналогию часовщика». Часы не могут возникать постепенно, шестеренка за шестеренкой, из-за случайных изменений. У них есть конкретный создатель. Правда, это не дядька с бородой на облаках, а слепой часовщик – естественный отбор.

Рис. 1. Старинный часовой механизм

Слепой часовщик – это еще один ответ концепции неупрощаемой сложности. Часы – очень сложный механизм, они не могут возникнуть из-за случайных изменений. Однако в правильной дискуссии аналогия не может быть средством аргументации. Последовательные изменения и адаптация могут приводить к развитию очень сложных органов у животных, и глаз – яркий тому пример.

Надо сказать, что естественный отбор – не одно из равнозначных мнений о причине многообразия жизни на Земле наряду с креационизмом, а современное научное представление о таком многообразии. Естественный отбор – это не что-то, похожее на взрыв в типографии, в результате которого случайно набирается несколько томов «Войны и мира» (именно такой пример я слышал от креационистов); в нем нет случайного создания глаза, есть сито, позволяющее выжить тем, кто лучше других и чья случайность оказалась более удачной.

Зрение тоже произошло в результате естественного отбора, так возник и наш глаз, и совершенно непохожие на него прекрасные глаза других живых существ.

Рис. 2. Строение глаза

Мы не видим так, как другие живые организмы. Многие из них видят глазами, но при этом не осознают увиденный мир. Позже мы разберемся, что мы и сами-то неодинаковы. Все многообразие вариантов зрения повторяет многообразие жизни на Земле, появившееся благодаря биологической эволюции.

В этой книге я не буду углубляться в вопросы эволюции и доказывать то, что она есть, мысленно споря с креационистами. После Ричарда Докинза это вообще очень сложно сделать. Однако если для вас эти вопросы еще не решены окончательно, рекомендую обратиться к его книгам. В то же время мы будем постоянно вспоминать вопросы эволюции, разбирая различные аспекты, связанные с физиологией зрения. В любом случае будем опираться уже на биологическую эволюцию как на очевидный факт.

Случайность – фактор, предлагающий новые варианты. В плане эволюции – это случайное изменение в генетическом коде, которое может передаваться следующему поколению. В медицине такие случайности называют мутацией de novo[3] – то есть изменением в генетическом коде, возникшим вместе с организмом, причем изменение это не унаследовано от родителей. Мутация de novo только появилась, но в дальнейшем имеет шанс передаваться следующим поколениям.

Хорошее встречается и закрепляется

Бывала ли в вашей жизни абсолютно случайная ситуация, которая как-то помогла? Редко, но такое происходит. В большинстве случаев неожиданности нарушают привычный порядок вещей и приносят дискомфорт. Авария в метро, когда вы спешите на работу, протечка крана, пробки на дорогах. Неприятные случайности – как мутации, случайные изменения в геноме – редко приводят к удачным изменениям, которые бы повысили вероятность того, что организм будет более совершенным, и увеличат вероятность его выживания, а следовательно у него будет возможность оставить потомство. В лучшем случае новые мутации не скажутся никак, в худшем – проявятся наследственным заболеванием. Но бывает и так, что случайность ведет к положительным моментам: вы застряли в лифте и завели нужный деловой контакт. Если такая случайность меняет ген и помогает размножиться, то это изменение закрепится.

Приведу пример. Предки млекопитающих обладали четырехкомпонентным зрением, то есть имели четыре типа колбочек, позволяющих отлично различать цвета. Тип колбочек зависит от типа фоторецепторного белка, опсина, который они содержат.

Четыре типа опсина появляются в колбочках потому, что есть гены, несущие информацию об их строении. Первые млекопитающие вели ночной образ жизни, в результате чего потеряли гены двух опсинов, и теперь большинство млекопитающих имеют двухкомпонентное цветовое зрение (бихроматы). В какой момент и почему это произошло? Кому мешало тетрахроматическое зрение, и зачем от него избавляться? Почему бы не оставить его на всякий случай? Вдруг пригодится когда-нибудь. Если у живого организма имеется четыре типа колбочек, двумя из которых он никогда не пользуется (или пользуется крайне редко), то два типа колбочек и два гена, кодирующих в них опсины, передающиеся из поколения в поколение, бесполезны. Кому они мешают? Они занимают полезное место на сетчатке. Если присутствуют никогда не работающие фоторецепторы, то плотность работающих будет ниже, следовательно, разрешение видимого изображения – меньше. Если вдруг случится мутация, в результате которой один тип колбочек перестанет функционировать и исчезнет, ее обладатель с большей вероятностью выживет, потому что освободится место для полезных колбочек и соответственно преимущества к выживанию. Переход на дихроматическое зрение оказался критичным для выживания первых млекопитающих. Забегая вперед, скажу, что морские млекопитающие утратили еще один опсин, стали монохроматами (различающими один цвет) – и выиграли.

Вот так, казалось бы, ухудшение функционирования органа по одному параметру дает существенные преимущества в другом. У современного человека потеря цветового зрения называется ахроматопсией: таким людям сложно ориентироваться днем, они не различают цвета. У первых млекопитающих потеря опсинов привела к повышению шансов на выживание.

Я подчеркиваю, что окружающая среда не стимулирует возникновение новых черт у живых организмов, а просто оставляет их живыми. Неудачники исчезли, и мы не видим ни их, ни потомства. Они просто не родились.

Как много времени нужно, чтобы измениться? Совсем чуть-чуть. Сколько нужно времени, чтобы голуби поменяли цвет оперения? Если вы много путешествуете, возможно, заметили, что в разных городах голуби разного цвета, а иногда и размера. Почему? Они такого цвета, какого цвета грунт, характерный для этого города. Это делает их менее заметными для тех, кто может на них напасть. В Москве голуби точно такого цвета, как московский асфальт. А как долго существует асфальт? Совсем недолго, если сравнивать со временем существования жизни на Земле. И если завтра придумают класть белый асфальт, скоро мы увидим белых голубей. Есть работы, показывающие, что избыточная пигментация оперения обусловлена тем, что токсины крови и тяжелые металлы связываются с пигментом, и голуби избавляются от них вместе с перьями. Сколько времени существуют вредные выхлопы? Цвет голубей изменился очень быстро и изменится снова. Почему? Потому что у них, как и у всего животного мира, тяжелая жизнь, и многое важно для ее сохранения.

К чему я это говорю? К тому, что не должно складываться впечатление, что какие-то события в эволюции – явление совсем маловероятное. На примере голубей мы видим изменения, происходящие в очень короткое время – одно-два человеческих поколения. И нет принципиальной разницы, цвет ли это оперения или количество опсинов в колбочках сетчатки. Огромное количество особей и сменяющихся поколений увеличивают вероятность, казалось бы, маловероятных событий.

Еще примеры? Раз уж мы отвлеклись на голубей, пожалуйста. Перьевая вошь живет в их оперении, питается частичками кожи и, собственно, перьями. Учеными найдена ископаемая вошь, жившая 44 млн лет назад с перьями в кишечнике, такая же живет сейчас. Это наводит на мысль, что она уже давно занимается одним и тем же и не собирается меняться глобально. Сара Э. Буш[4] и ее коллеги отловили 96 голубей разных цветов в районе Солт-Лейк-Сити, очистили их от паразитов и заразили другими, после чего дали голубям жить четыре года обычной жизнью. Через какое-то время исследователи заметили, что вши стали менять цвет в зависимости от цвета оперения голубей. Притом это происходило только в тех случаях, если голуби чистили перья. Когда исследователи не давали голубям этого делать, цвет вшей не менялся. Процесс чистки перьев в таком случае был естественным отбором и за четыре года полностью менял цвет популяции вшей, жившей на голубе. Вошь, которая случайным образом оказалась того же цвета, что и оперение голубя, не была вычищена, оставшись незамеченной, и стала прародительницей других вшей. Такая история повторилась на каждом голубе. Эти примеры показывают, что для изменений не надо много времени, многие из них могут произойти на наших глазах.

Свет и зрение

Вся жизнь на планете зависит от энергии Солнца. Поэтому неудивительно, что множество организмов, включая те, что живут в полной темноте, развили способность реагировать на свет. Растения тянут листья к солнцу, простейшие одноклеточные плывут к свету или от него. Но только способность видеть детали этого мира и отражать их в сознании переводит восприятие света в другое измерение, которое мы называем зрением.

Зрение развивалось вместе с животным миром; оно помогает хищнику выследить жертву, а жертве – эффективнее сбежать от хищника. Зрение подстраивается под образ жизни поколений, а при удачном апгрейде, вероятно, дает возможности жить иначе.

Зрительная система всегда адаптируется к среде, где обитает ее хозяин. Человеческое зрение адаптировано к нашему образу жизни, зрительная система кита меняется для морских пучин, а глаз некоторых птиц идеален для пикирования за рыбой в воду с воздуха.

В природе многие изменения зрительного анализатора меняются в зависимости от того, как организм пользуется зрением.

Что называть зрением?

Сначала возникла светочувствительность. Наверное, не стоит называть любой ответ организма на свет светочувствительностью. Например, растения запускают каскад химических реакций под воздействием света, однако это не называется светочувствительностью. Это вопрос определения, и для нас он сейчас не настолько важен. Просто светочувствительность – еще не глаз.

Если клетка способна как-то реагировать, когда на нее падает свет, она просто может быть источником информации, есть ли свет или нет. Что можно сделать на основании такой информации? Скажем, отличить день от ночи. Клетка не может «понять» направление света. Такая информация не может быть полезной для определения направления движения «к» или «от». Чтобы светочувствительный элемент был максимально полезен, он должен дать представление о направлении света.

Определение направления света – второй и более важный шаг. Забегая вперед, скажу, что большинство животных, включая одноклеточных, обладают такими светочувствительными органами. В противном случае просто факт наличия света несет мало полезной информации, ведь на основании полученных данных организм должен принимать какие-либо решения. Например, двигаться к свету или от него.

Электрический глаз

В электронике используют светочувствительные диоды, генерирующие электрический импульс в ответ на свет. Раньше их использовали в метро как датчик прохода. Диод «видел», что через турникет проходит человек, когда прерывался поток света от лампы напротив. Такой диод не способен определить направление света, и посторонние излучения могли бы мешать работе системы.

Инженеры решают задачу, размещая диод в специальном углублении, где свет может появиться только с одной стороны. Прерывание света указывало системе, что человек зашел между турникетами, а наличие двух диодов в разных его концах позволяло определить направление движения человека. «Зрение» машины обеспечивается экранировкой диодов и их количеством (больше одного).

Рис. 3. Единичный фоторецептор воспринимает свет, но не определяет его направление

Рис. 4. Фоторецептор с пигментной клеткой может дать представление, откуда идет свет

Любому светочувствительному элементу для определения направления света нужен экран, ведь если запретить вхождение света с одной стороны, значит, мы всегда будем знать, что он поступает только с другой.

Пигмент – идеальный экран для света. Если с какой-то стороны от светочувствительного элемента поставить заслонку, свет будет попадать на него только с одной стороны. А значит, сигнал от такого элемента будет показывать не только наличие света, но и его направление. Способность к движению – обязательное условие для возникновения такой системы. Если мы не можем двигаться «к» свету или «от» него, то информация о направлении света не имеет смысла.

Обычно экран представлен пигментным эпителием – слоем клеток, способных поглотить весь свет, уже прошедший через фоторецепторы. Благодаря экранированию глаза у примитивных предков существовала функция определения источника света, а с появлением слоя фоторецепторов и пигментных клеток – возможность определять картину и движение предметов вокруг.

Рис. 5. Ряд фоторецепторов со слоем пигментных клеток позади него позволяет определять проекцию света и положение теней

Предглаз, у которого есть много фоторецепторов, способен на большее – он может оценить варианты освещенности поверхности. Если фоторецепторы разложить на плоскости, они будут способны воспринимать тень от объектов, находящихся напротив нее. Эта система позволяет оценивать происходящее напротив. Однако, если такую плоскость слегка закруглить, появится возможность оценивать тень от предметов по сторонам от нее и происходящее вокруг. Эти изменения ведут к формированию глаза в виде бокала, стенки которого представлены слоем фоторецепторов и пигментных клеток. Такой глаз, например, есть у плоских червей – он для них идеально подходит.

Дальнейшие изменения были направлены на оттачивание тонкостей: формирование диафрагм – радужек (различных для разных нужд), хрусталика и оптических сред, глазодвигательных мышц.

В Лундском университете[5] исследователи захотели определить, как много потребуется времени для того, чтобы сформировался такой сложный глаз, как человеческий. Начиная с плоской светочувствительной поверхности, постепенно предложили 1800 незначительных апгрейдов, которые могли бы быть выполнены естественным отбором, чтобы образовался сложный человеческий глаз. Здесь важно отметить, что любой незначительный апгрейд должен улучшать качество видимого изображения, то есть он не может быть временно бесполезным, с расчетом на будущие улучшения (он просто был бы отметен естественным отбором).

Рис. 6. Слой рецепторов и пигментный слой стали постепенно закругляться, это дает возможность воспринимать отраженный свет и оценивать его направление, не только от предметов, расположенных напротив, но и от расположенных в стороне. Такой глаз есть у наутилуса

Рис. 7. Это усовершенствованный глаз, такой как у нас. Кроме того, что глаз стал шаром, что дает возможность иметь большое поле зрения, появляется система аккомодации. Такая система необходима для высокоразвитой зрительной системы

Исследователи пришли к заключению, что такие изменения могли бы произойти за 360 000 поколений, или всего лишь за несколько сотен тысяч лет. 550 млн лет прошло с момента формирования старейших окаменелых глаз, за это время сложный глаз мог бы развиться 1500 раз. (К вопросу о незаменимых нобелевских лауреатах.)

Один раз или несколько?

Сколько раз в процессе эволюции развивалось зрение – один раз или несколько? Этот вопрос имеет право на существование, если вспомнить, что у всех живых существ есть общий предок. У всех людей – общий предок примат с остальными приматами, у первого млекопитающего – с остальными млекопитающими и т. д. до простейших форм жизни с общей бактерией и каплей в бульоне. Сколько раз за это время возникал глаз? Ответ зависит от того, что считать глазом. Большинство животных, у которых есть глаза, имеют очень сходные генетические инструкции для их построения, практически идентичные.

Если рассматривать фоторецепторные клетки, необходимые для возникновения глаза, они могли возникать много раз, эволюционировать из хеморецепторов и существовать отдельно от зрительного органа. Такое расщепление можно наблюдать в живой природе. Путей развития зрения множество, благодаря этому существует многообразие различных вариантов глаз, имеющих заметную разницу в строении.

Глаз осьминога, хоть и похож внешне на человеческий, но сильно отличается, и связано это с тем, что он прошел другой путь, приведший его к такой форме. Схожесть формы объясняется схожими задачами, которые ставит жизнь. Она настолько удивительна, что осьминоги даже имеют хрусталик, похожий на человеческий, содержащий белок кристаллин.

Схожее развитие разными путями в эволюции называется конвергенцией. Фоторецепторы сетчатки осьминога расположены кпереди от слоя нервных волокон и открыты потоку света. Это разительное отличие от глаз позвоночных, глаза которых устроены так, что фоторецепторы находятся позади слоя нервных волокон, нагромождением клеток и стволов кровеносных сосудов. Такое строение обусловлено не удобством, а тем, что этим путем пошла эволюция, а в ней есть элементы случайности, о которых мы еще вспомним.

Быть может, путь осьминога более удачен, чем наш. Мы будем неоднократно обсуждать, что расположение фоторецепторов сетчатки позади слоя нервных волокон и кровеносных сосудов не самое удачное.

Ближайший родственник осьминога, наутилус, прошел обратную эволюцию – его глаз утратил роговицу и хрусталик. Возможно, это освободило какие-то его ресурсы, однако и эволюция глаза двигается вперед и назад, и не один раз. Глаз наутилуса имеет строение по типу pine-hole[6] – у него есть отверстие, развитая сетчатка, а полость заполнена водой.

Строение любого органа, и глаза в том числе, происходит по инструкциям, записанным в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Это не совсем инструкция по сборке мебели от IKEA, и не совсем понятно, как все работает, но точно известно, что некоторые участки этого кода дают информацию для конкретных структур и функций. Постепенно наши знания по вопросу обогащаются, и сейчас они уже на таком уровне, что некоторые приступили к редактированию информации, заложенной в ДНК, если она ведет к патологии (такое случается из-за ошибок при копировании ДНК).

Информация из ДНК делится учеными на порции, которые принято называть генами. Один ген – это последовательность нуклеотидов, кодирующая один белок, синтез которого реализуется в каком-то признаке или функции. Зачастую мы просто не знаем, что делает определенный ген или белок. Иногда мы думаем, что знаем всё, а потом время приносит новые открытия и мы выявляем новые свойства ранее известных генов. Например, ген, названный FOXL2, вызывает опущение века, сужение глазной щели и обратное расположение складки эпикантуса[7]. Это происходит потому, что он выполняет регуляторные функции в мышце века, однако одновременно снижение активности этого гена ведет еще и к нарушению овуляции, которая приводит к бесплодию.

Blepharophimosis, ptosis and epicanthus inversus syndrome (BPES)

Название синдрома сложно перевести с английского языка на русский, поскольку на английском название синдрома содержит непереведенные латинские и греческие слова. Поэтому я решил оставить в тексте английское название синдрома или использовать английскую аббревиатуру (BPES). Blepharophimosis, ptosis and epicanthus inversus syndrome (BPES) – состояние, проявляющееся патологическим развитием глазной щели. Люди с этим синдромом имеют узкую глазную щель (блефарофимоз), опущенные веки (птоз) и складку кожи под нижним веком у внутреннего угла глазной щели. Расстояние между внутренними углами глазной щели увеличено (телекантус).

Другие структуры лица при BPES изменены в меньшей степени. У людей с BPES чаще встречаются аномалии рефракции (подробнее о рефракции будет сказано в главе «Острота зрения. Рефракция»), такие как близорукость и дальнозоркость, а также косоглазие и амблиопия. Кроме того, при BPES могут присутствовать следующие изменения со стороны лица: широкая переносица, низко посаженные уши, укороченное расстояние между носом и верхней губой. Характерно вынужденное положение головы с поднятым подбородком, позволяющее смотреть прямо. Людям с этим синдромом особенно трудно смотреть вверх.

Существует два типа BPES c определенными симптомами, оба включают изменения в глазной щели. Тип I ассоциируется с ранней первичной недостаточностью яичников, ведущей к тому, что менструации становятся редкими и обычно заканчиваются до 40 лет. Первичная недостаточность яичников ведет к бесплодию или сложностям с зачатием.

Тип II не ассоциируется с первичной недостаточностью яичников.

Причины BPES

BPES может возникать спорадически, то есть не наследоваться, а появляться как новая мутация либо наследоваться по аутосомно-доминантному типу.

За мутации, приводящие к обоим вариантам синдрома, отвечает ген, называемый FOXL2, расположенный на длинном плече третьей хромосомы (3q23).

FOXL2-протеин входит в структуру мышц век. До рождения и во взрослой жизни он регулирует рост и развитие определенных клеток яичников.

Сложно предсказать, какой именно тип BPES может развиться из большого количества вариантов мутаций FOXL2. Однако ясно, что мутации, которые ведут к снижению функции протеина FOXL2, ведут ко II типу заболевания. Они, вероятно, ведут и к нарушению нормального развития мышц века, что приводит к неправильному формированию век и невозможности открыть их полностью. Мутации, приводящие к полному прекращению функции FOXL2, вызывают I тип болезни, ведут к нарушению развития век и ранней гибели яйцеклеток.

У девушек с недостаточностью функции яичников может наблюдаться гипогонадизм – повышенный уровень фолликулостимулирующего гормона (FSH) и лютеинизирующего гормона, что выражается в снижении концентрации эстрадиола и прогестерона в плазме крови, размерах матки меньше нормы и измененных яичниках.

BPES – яркий пример того, как организмы универсально используют некоторые регуляторные гены. Их активность может проявляться сразу в нескольких органах.

Некоторые белки регулируют синтез других белков или выполняют множественные функции. Очень часто один и тот же ген имеет много точек приложения, иногда даже в разных органах. Многие из них относительно хорошо изучены и выполняют ключевую роль в развитии глаз.

Например, ген PAX6 расположен у человека на 11-й хромосоме, он принадлежит к семейству генов, которые играют ключевую роль в формировании тканей и органов в процессе внутриутробного развития. Это один из самых консервативных (древних) генов, очень важный для глаз. Когда идет речь о древних генах, подразумевается, что со временем они мало изменились или не изменились совсем. Обычно к подобным выводам приходят, когда такие же гены обнаруживаются у других классов животных. Ген PAX6 содержит инструкции для создания белков, которые прикрепляются к различным участкам ДНК и влияют на активность других генов. Во время эмбрионального развития человека ген PAX6 активирует гены, участвующие в формировании мозга, глаз, спинного мозга и поджелудочной железы. В мозге PAX6 участвует в формировании обонятельных клеток. После рождения PAX6 регулирует множество генов, отвечающих за работу глаз. Он очень важен для глаз, поскольку регулирует развитие их структур и внутриутробно, и после рождения. При мутации в одном из генов PAX6 у человека возникает заболевание, самое яркое проявление которого – отсутствие радужки (см. рисунок).

Ген PAX6 оказался консервативным[8]: он был обнаружен у мух дрозофил, осьминогов и мышей, а схожие с ним гены у более древних животных, например медуз, выполняли похожие функции. У всех представителей животного мира ген PAX6 регулирует развитие глаза. Такая его консервативность указывает на то, что наши глаза имеют общих предков, которые миллионы лет назад выглядели совсем по-другому. Кроме того, эти предки дали жизнь потомкам, значительно отличающимся от нас. Этот ген возник очень давно – до образования современных классов живых существ.

Рис. 8. Глаз пациента с врожденной аниридией. Видно отсутствие радужки, хрусталик висит на связках, кусочки радужки – по краю

Головоногие (осьминоги) имеют пять вариантов гена PAX6, которых нет у позвоночных. Это говорит о том, что глаза позвоночных и головоногих в какой-то точке временной шкалы имели общих предков, но потом судьба разделила их. Когда и в какой последовательности это произошло, вопрос до сих пор неоднозначный.

У животных очень много общего. Все светочувствительные органы объединяют опсины – белковые комплексы, принимающие участие в формировании клеточного сигнала в ответ на попадание на них света. Опсины принадлежат к семейству фоточувствительных белков и делятся на девять групп, все они существуют сейчас в природе у различных животных. Структурная общность опсинов указывает на то, что они имеют общего предка, который в процессе эволюции менялся так, что появились разные оспины с разными функциями.

Ген PAX6

PAX6 – ген, ответственный за большинство случаев врожденной аниридии. Это состояние, при котором с рождения отсутствует радужка.

В норме она образует зрачок, его сокращение регулирует поток света в глаз и уменьшает световые аберрации, что делает видимое изображение четче. Кроме того, радужка отвечает за цвет глаз. Родители не сразу замечают, что у новорожденного ребенка нет радужки, и сначала обращают внимание на неестественное движение глаз – нистагмы, на задержку слежения, на то, что глазки необычно черного цвета, и только потом – на аниридию.

PAX6 регулирует работу других генов и работает во многих органах и тканях.

Большинство случаев аниридии – вновь возникающие. PАХ6 – один из самых известных консервативных генов. Кроме глаз его активность замечена в других органах. По-видимому, для нормального развития глаза необходимо, чтобы две копии гена PAX6 были рабочими. При мутации только в одном из генов развивается полная клиническая картина врожденной аниридии. Случаи мутации в двух генах сразу не описаны, возможно, из-за того, что такой плод не развивается и беременность просто невозможна. Нормальная работа гена PAX6 необходима для того, чтобы глаз был сформирован как положено во время эмбриогенеза. После рождения ген PAX6 также принимает важное участие в работе глаза и других органов, поэтому при мутации этого гена могут возникать новые проявления патологии, кроме тех, которые уже есть на момент рождения.

Роговица

Роговица – передняя прозрачная оболочка глаза – один из важных органов, который поражается при врожденной аниридии. Такое поражение роговицы офтальмологи называют кератопатией. Само слово «кератопатия» не уточняет, какая именно патология роговицы имеется. Обычно так называют любую невоспалительную патологию роговицы, как правило, генетической природы. Кератопатию при аниридии часто называют ассоциированной с аниридией. Этот пример интересен для обсуждения строения и регенерации роговицы в норме. Его будет полезно вспомнить, когда коснемся темы стволовых клеток в главе «Офтальмология будущего».

Роговица покрыта слоем клеток – эпителием, он покрывает органы снаружи (например, есть эпителий кожи, кишечника и т. д.). Эпителиальные клетки выполняют разные функции в организме человека и потому отличаются друг от друга. Роговичный эпителий состоит из нескольких слоев, он гладок, прозрачен, в меру непроницаем и прочен. Это очень активно живущий слой роговицы, постоянно обновляющийся. Поверхностные клетки отмирают, а новые, из глубоких слоев, начинают активно делиться, чтобы вовремя заполнять брешь. У человека продолжительность жизни клетки эпителия роговицы составляет примерно 10 дней. Самый край роговицы – лимб, здесь находится зона, где делятся полипотентные клетки. Из них потом формируются клетки роговицы и создается запас необходимых стволовых клеток, которые могут понадобиться при ускоренном клеточном обновлении.

Кератопатия при аниридии выражается в том, что в зоне лимба не образуется достаточное количество стволовых клеток, которые могут восполнять естественную и неестественную потерю клеток. В результате постепенно накапливаются повреждения: сначала появляются едва заметные изменения эпителия роговицы, а в дальнейшем они могут перерастать в грубые изменения ее структуры. Это связано с тем, что для полноценного формирования стволовых клеток лимбального эпителия необходимо нормальное функционирование гена PAX6. При его недостаточности не происходит нормальной дифференциации кератоцитов.

В начальной стадии кератопатии изменения в роговице едва заметны или, возможно, не видны совсем. Однако они могут какое-то время не давать видимой картины. Особенно их сложно заметить, если осмотр ребенка затруднен.

При аниридии можно встретить сосуды врожденной кровеносной системы на поверхности хрусталика.

Нарушение дифференциации клеток приводит к тому, что меняется само окружение для вновь создаваемого эпителия роговицы, и структура его уже такова, что нарастание нормального эпителия почти невозможно. Так происходит, если кератопатия продолжает прогрессировать – примером служит последняя иллюстрация.

Рис. 9. Инфракрасная фотография глаза пациента с врожденной аниридией. Виден очень тонкий, едва заметный при осмотре, частокол из сосудов по краю роговицы – проявление кератопатии при врожденной аниридии

Рис. 10. Язва роговицы у взрослой женщины с врожденной аниридией на фоне кератопатии (помутнение роговицы глаза)

PAX6 в кинематографе

В этой книге постоянно идет речь о гене PAX6. Интересно, что он упоминается как ключевой в развитии зрения в художественном фильме «Я начало» (I Origins. USA, 2014). В фильме не столько важна биологическая точность, сколько художественный замысел, чтобы зрителя не отпускал действительно интересный сюжет.

Молодой ученый Иэн Грэй (Майкл Питт) проводит исследования с целью доказать эволюционный характер развития глаза и старается найти ступени развития глазного яблока от фоторецепторных клеток до современного глаза человека. В процессе поиска он указывает своей коллеге Карен, что глаз эволюционировал от простого к сложному, потому что в его развитии принимает участие ген PAX6. Идея совершенно правильная, очевидная и неновая: если почти у каждого зрячего животного на Земле есть ген PAX6 (или его близкие аналоги), то, скорее всего, наши глаза имеют общий источник происхождения – какое-то животное, у которого впервые возникла фоторецепторная клетка, даже несмотря на то, что у разных животных глаза такие разные. Мы обсуждаем этот факт в книге, даже делаем акцент на то, к чему приводят мутации в гене PAX6 у разных видов животных. Доктор Иэн выдвигает гипотезу, согласно которой у незрячих животных не может быть гена PAX6. Так как нет глаза, то нет и смысла регулировать его развитие. Если найти незрячее животное с геном PAX6, можно предположить, что развитие глаза наступило с нулевой стадии, и таким образом показать, что источник зрения появился до появления глаза, а ген РАХ6 уже существовал до фоторецепторных клеток. О чем это могло бы говорить? Я не знаю. Его помощница Карен занялась поиском.

Отступлю от художественного замысла и скажу, что у незрячих беспозвоночных, например кораллов (да-да, кораллы тоже животные!), имеется сразу четыре аналога гена PAX6, что, в общем-то, не перечеркивает идею авторов, поскольку кораллы, скорее всего, имели зрячего предка, а в фильме стояла задача двигаться к началу эволюции. В итоге герои фильма находят представителя червей без зрения, однако при секвенировании его генома выявляют у него наличие гена PAX6. Герои делают выводы, которые невозможно назвать однозначными.

Мы не собираемся придираться к точности, для нас как для зрителей важен сюжет, который я охарактеризовал бы как мистический в этом случае. Кроме того, основная сюжетная линия фильма выстраивается вокруг того, что доктор Иэн Грей увлеченно изучал рисунки радужки у разных людей и ее связь с возможной реинкарнацией.

Мне нравится любая популяризация науки, а если она переплетается с хорошей сюжетной линией, это тем более хорошо. Быть может, моя книга сделает просмотр этого фильма особенно интересным.

Кератопатия может быть выражена в разной степени на обоих глазах и в пределах одной роговицы.

Вязкие и увлажняющие капли способствуют защите эпителия роговицы от разрушения, поэтому даже тогда, когда нет клинической картины кератопатии, они рекомендованы к применению. Из-за кератопатии при аниридии лучше совсем отказаться от идеи использования контактных линз с нарисованной радужкой. Обычно ее высказывают доктора, которые не интересовались аниридией подробно. Сам факт отсутствия зрачка не вносит основного вклада в снижение зрения. Это подтверждается тем, что при врожденной аниридии, не связанной с мутацией в гене PAX6, острота зрения может быть нормальной и даже очень высокой, что говорит о том, что отсутствие радужки, хоть и дает название самому заболеванию, – отнюдь не самая большая проблема.

Зрение при аниридии чаще всего снижено из-за гипоплазии фовеолы (это патология развития небольшой области на сетчатке глаза, мы вернемся к этой проблеме при обсуждении людей с альбинизмом), нистагма, уменьшения размеров зрительного нерва и проблем, которые присоединяются в течение жизни: глаукомы, катаракты, кератопатии.

Отсутствие радужки

Отсутствие радужки все же беспокоит некоторых врачей и родителей детей с аниридией. Это толкает многих на поиск клиник, где они могли бы поставить искусственную радужку. К сожалению, имплантации искусственных радужек связаны с рисками, которые могут оказаться очень серьезными. Дело в том, что у пациентов с врожденной PAX6-аниридией присутствуют выраженное рубцевание и пролиферация[9] при хирургических вмешательствах, и имплантация искусственной радужки остается рискованным делом.

Между тем FDA (агентство Министерства здравоохранения и социальных служб США) выдало разрешение на использование искусственной радужки при врожденной аниридии, хотя и со многими оговорками. Такое решение критикуется многими врачами, особенно теми, кто занимается этой проблемой именно из-за опасений реализации рисков, связанных с имплантацией искусственной радужки.

Автор этих строк не рекомендует использовать искусственную радужку при аниридии, связанной с PAX6. В анонсе FDA очень много оговорок, которые сложно отмести в случае, если аниридия вызвана генетической мутацией.

Думаю, что обсуждение этой темы еще не закончено, и взгляды на нее будут меняться. Повторюсь, что отсутствие радужки как таковой – не основная проблема пациентов с аниридией, а сама имплантация может быть опасна. Это должны понять родители детей с аниридией и не форсировать события. В любом случае, если вас ориентируют на имплантацию искусственной радужки, я призываю выслушать мнение специалистов, которые занимаются этим вопросом профессионально. Вообще, большая проблема в коммуникации, когда пациент думает, что решает основную проблему, а она кроется совсем в другом.

WAGR(O)

Часто врожденная аниридия входит в состав WAGR-синдрома. Он интересен тем, что служит примером делеции[10] участка хромосомы, на котором расположена целая группа генов (в том числе и РАХ6), что приводит к проявлению симптомов, характерных для вовлечения этих генов.

Раньше этот синдром пытались называть WAGRO, добавляя последнюю букву как obesity – ожирение, однако такое название не сохранилось.

WAGR-синдром – редкое генетическое заболевание, само слово – акроним, объединяющий наиболее характерные симптомы:

• опухоль Вильмса[11], или нефробластома;

• аниридия;

• патология половых органов;

• умственная отсталость;

• ожирение.

У разных пациентов заболевание протекает индивидуально, и некоторые симптомы, характерные для синдрома, могут отсутствовать или же присутствовать другие.

WAGR-синдром – это проявление делеции части 11-й хромосомы. Основной критерий его диагностики – доказательство делеции в 11p13.

В большинстве случаев WAGR-синдром определяется у детей при обнаружении спорадической аниридии, у 30 % из них – характерная делеция (11p13). Остальные признаки WAGR-синдрома могут не проявляться или не быть очевидными в раннем возрасте, что не должно препятствовать направлению на консультацию к специалисту по генетике.

В редких случаях аниридии может не быть. Дети с опухолью Вильмса и другими симптомами, характерными для WAGR-синдрома, такими как патология половых органов, умственная отсталость, неспособность к обучению, или другими проблемами со здоровьем также должны быть направлены на генетическую консультацию.

Патология половых органов и мочеиспускательного канала чаще присуща мальчикам, чем девочкам. Наиболее частая – крипторхизм. У девочек выражается в недоразвитии яичников, изменении формы матки, что может может повлечь невозможность нормальной беременности.

Распространенность WAGR-синдрома неизвестна, в то же время заболевание считается достаточно редким (встречается примерно у трети людей с аниридией).

Большинство случаев WAGR-синдрома не наследованы от родителей, а возникли в результате хромосомной делеции, которая иногда случается при формировании половых клеток (яйцеклетки или сперматозоида) или в очень ранней стадии фетального (внутриутробного) развития.

Некоторые пациенты с WAGR-синдромом наследуют 11-ю хромосому с удаленным сегментом от здоровых родителей. В таких случаях у родителя наблюдается хромосомная перестановка, называемая сбалансированной транслокацией, при которой генетический материал не теряется и не добавляется. Сбалансированная транслокация не вызывает каких-либо проблем со здоровьем, но может приводить к нарушениям в момент передачи генетического материала следующему поколению. Проще говоря, участок, подвергшийся делеции, остался в клетке и нормально функционирует, однако он не может перейти в половую клетку при их образовании.

Дети, наследующие несбалансированную транслокацию, могут иметь хромосомную перестановку и получить лишний генетический материал либо недополучить его часть. Пациенты с WAGR-синдромом, которые наследуют несбалансированную транслокацию, недополучают генетический материал от короткого плеча 11-й хромосомы, что ведет к повышенному риску возникновения опухоли Вильмса, аниридии, патологии мочеполовых органов и умственной отсталости.

Клиническая картина WAGR-синдрома выражается в том, что расположенные рядом гены проявляют себя нарушением тех функций, которые они определяют. Мы обсуждаем его в качестве примера того, как далеко может завести внешне типичное глазное заболевание в диагностических поисках.

Ген WT1

WT1 (Wilms tumor gene) – ген, который секретирует протеин, необходимый для нормального развития почек и половых органов (яичников у женщин и яичек у мужчин). В этих тканях протеин играет роль в дифференциации клеток и апоптоза (запрограммированной гибели клеток). Для реализации всех этих функций WT1 регулирует активность других генов путем связывания регионов ДНК.

Встречается другой вариант названия гена – Wilms tumor suppressor gene 1 (ген, подавляющий развитие опухоли Вильмса). Его мутация или отсутствие ведут к увеличенному риску развития опухоли. Именно из-за вероятности вовлечения этого гена в WAGR-синдром необходим постоянный контроль состояния почек. Получается, что ткань почек сама по себе склонна к развитию нефробластомы – эволюция создала ген, который эту склонность подавляет. Этот факт можно приводить как пример того, что, если рассматривать жизнь как замысел Творца, такие вещи, как строение возвратного гортанного нерва (см. вставку) или подавление опухоли при помощи отвечающего за это гена, выглядели бы не лучшим инженерным решением, но вполне были бы объяснимы, если понимать, что эти изменения произошли в результате естественного отбора. Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее.

Ткань почек склонна к развитию опухоли. Вместо того чтобы исправить генетический код так, чтобы эта склонность исчезла, естественный отбор создает ген, подавляющий развитие опухоли. Не очень разумное устройство, если допустить, что человеческий организм создан высшим разумом. Все равно как если бы программист, допустивший ошибку в программе, не стал бы ее исправлять, а написал бы еще более громоздкую программу, чтобы она перманентно подавляла ошибку в первой. С точки зрения Творца, такой выход из положения только все усложняет, однако для естественного отбора это вполне нормально.

Ген WT1 не такой консервативный, как PAX6, – мутации в нем, скорее всего, имеют отношение к некоторым другим патологиям, которые могут возникать изолированно. Однако назван он так потому, что впервые была показана его связь именно с нефробластомой – опухолью Вильмса.

Несовершенный инженер

Если бы наши тела создавал некий Творец, к нему, как инженеру, возникали бы справедливые вопросы о том, что разумнее было бы спроектировать все несколько иначе.

Приведем в пример возвратный гортанный нерв: он выходит из черепа (у человека этот нерв берет начало от блуждающего нерва), уходит в грудную клетку и поднимается вверх для иннервации гортани, то есть делает совершенно лишнюю петлю. У наших предков (например, рыб) этот нерв был на одном уровне и шел по оптимальной траектории (у них не было шеи), потому что так было выгодно и рационально в рыбьем теле, однако затем потомки, в том числе и жирафы, заимели шею и нерв стал делать лишнюю дугу. У жирафа эта дуга длиной в метры, что абсолютно бессмысленно.

Можно было бы и не вспоминать жирафа, а только то, что наша сетчатка инвертирована (об этом упоминается в книге), то есть она расположила все свои рецепторы после слоя нервных волокон, целого набора клеток и кровеносных сосудов. Вы можете себе представить, чтобы инженер, делающий камеру в телефоне, вдруг поставил все провода между матрицей и линзами объектива? Это же никуда не годится! Однако мы пользуемся именно таким глазом. Создатель? Да ладно! Вы серьезно? Не будьте детьми.

Ген PAX6

PAX6 относится к семейству генов, играющих ключевую роль в формировании органов и тканей во время эмбрионального развития. Гены семейства PAX важны для нормального функционирования разных клеток организма и после рождения: они участвуют в синтезе протеинов, которые связывают специфические участки ДНК и таким образом контролируют активность других генов. Из-за такого свойства PAX-протеины называют факторами транскрипции (transcription factors).

В период эмбрионального развития белок PAX6 активирует гены, вовлеченные в формирование глаз, мозга, спинного мозга и поджелудочной железы. PAX6 участвует также в развитии нервных клеток ольфакторного тракта, отвечающих за обоняние. В настоящее время роль PAX6 во внутриутробном периоде жизни организма до конца не изучена, и со временем мы получаем все новые факты. После рождения протеин PAX6 регулирует множество генов, активных в глазу.

Недостаточность функции гена PAX6 ведет к тому, что проблемы с глазами возникают после рождения. Так, например, ген PAX6 влияет на регуляцию экспрессии генов, которые участвуют в синтезе кристаллина хрусталика. Недостаточность этой регуляторной функции ведет к развитию катаракты у пациентов с врожденной аниридией.

Ген BDNF

BDNF-ген кодирует белок, обнаруживаемый в головном и спинном мозге. Этот ген участвует в росте, созревании нервных клеток, активен в синапсах[12] головного мозга, которые могут изменяться и адаптироваться в ответ на опыт. BDNF-белок помогает регулировать изменчивость синапсов, что очень важно для процессов обучения и памяти.

BDNF-протеин найден в областях головного мозга, отвечающих за сытость, жажду и вес тела. Скорее всего, он воздействует на эти процессы.

При расшифровке акронима WAGR о многих пунктах я говорил бы условно: так, умственная отсталость может практически отсутствовать или быть заметной только для специалистов.

Есть исследования, показывающие, что активность гена BDNF и выработка BDNF-протеина зависят от внешних факторов – физической активности, диеты и других. Это может быть полезно, если нам вдруг вздумается влиять на него.

Не у всех живых существ мутация в гене PAX6 ведет к аниридии, однако практически все страдают от поражения глаз.

Исследователи находят регуляторные связи PAX6, что облегчает понимание клинической картины врожденной аниридии у человека и изучение того, как влияние PAX6 на иные гены меняет глаз у других животных (причем одни и те же гены у разных животных могут проявлять себя по-разному).

Фенотипические изменения при мутации в PAX-генах у различных видов разные

Данио-Рерио[13]

фтальм[14]

Количество вариантов глаз, существующее в живом мире, и разница в их строении наводят на мысль, что глаз эволюционировал много раз снова и снова и у разных животных прошел разный путь развития.

• Древний ген PAX6 участвовал в регуляции активности других генов, которые строили примитивный двухклеточный глаз.

• В течение эволюции виды удалились один от другого очень далеко, но все сохранили гены, гомологичные PAX6.

• Со временем дупликация привела к появлению новых генов, которые добавили глазу сложности.

Появилось много вариантов глаз у разных классов.

Однако эти новые гены остались под контролем у гомолога гена PAX6.

Рис. 11. Глаз мухи дрозофилы (в нем выделяют омматидии – ощущающие свет единицы) и человека. У всех глаз был общий предок – фоторецепторная клетка, в дальнейшем эволюция создала много вариантов различных глаз, однако во всех сохранилась важная роль аналогов гена PAX6. Глаз мухи дрозофилы кардинально отличается от человеческого, он состоит из множества маленьких микроглаз омматидиев, однако у мухи и человека есть общий ген, регулирующий работу глаза, который достался им от общего предка

Интересный факт: ген PAX6, регулирующий развитие глаза и нервной системы, есть у фруктовой мухи, червяка и человека, и у всех он занимается одним и тем же. Это наводит на мысль о том, что PAX6 был у нашего общего предка очень и очень давно, и, скорее всего, тогда глаз еще представлял собой пару рецепторной и пигментной клеток. А вот дальнейшее развитие – увеличение количества глаз, устройство глазодвигательных мышц – уже шло индивидуально и не один раз, что и привело к такому разнообразию типов глаз, наблюдаемых сегодня.

Рис. 12. Древний ген PAX6

Секреты развития

Интересная особенность врожденной PAX6-аниридии: при ней можно найти эмбриональные сосуды на поверхности хрусталика. Они снабжают его кровью внутриутробно, но должны отсутствовать к моменту появления на свет.

Persistent tunica vasculosa lentis – так называется состояние, когда сосуды на поверхности хрусталика остаются после рождения.

Это действительно очень интересное заболевание, изучение которого дает представление о многих процессах, происходящих в глазу.

Внутриутробное формирование хрусталика человека начинается, когда сам эмбрион размером 4 мм. В отличие от остальных частей глаза, развивающихся из нейроэктодермы, хрусталик развивается из поверхностной эктодермы.

Первая стадия роста начинается, когда оптический пузырь, формирующийся при выпячивании нейроэктодермы, приближается к поверхностной эктодерме. Оптический пузырь индуцирует формирование хрусталиковой плакоды (структуры в голове эмбриона) из ближайшей эктодермы (внешние покровы).

В стадии 4-миллиметрового эмбриона хрусталиковая плакода имеет один слой столбчатых клеток. В развитии хрусталиковой плакоды и оптического пузыря принимают участие гены SOX2 и POU2F1. Мутация в гене SOX2 связана с двусторонним анофтальмом (недоразвитием или отсутствие обоих глазных яблок).

Большую часть своего внутриутробного пути хрусталик имеет свои кровеносные сосуды. Иногда их можно видеть и после рождения. Обычно это редкая находка, но такое встречается при некоторых заболеваниях.

Одно из таких заболеваний – врожденная аниридия, которая чаще всего связана с мутацией в гене PAX6. Аниридия проявляется отсутствием радужки и другими изменениями, среди которых в том числе бывают изменения хрусталика.

При аниридии часто можно видеть то, что называют persistent tunica vasculosa lentis – сосуды на поверхности хрусталика. Обычно они очень тонкие, и у совсем маленьких детей их сложно рассмотреть.

Такая сосудистая сеть не меняется со временем – не исчезает.

Рис. 13. Здесь видна частичная врожденная аниридия, помутнение в центре хрусталика и на его поверхности

Рис. 14. Здесь виден экватор хрусталика и кровеносные сосуды на поверхности

Рис. 15. Здесь видны арки сосудов на поверхности хрусталика

Глазастый, но безмозглый

Глаза появились раньше мозга. Здесь мы тоже ударяемся в вопрос определения – что такое зрение. Есть ли зрение без мозга?

Мозг не нужен до того, пока не возникла информация, нуждающаяся в обработке. Первые глаза были вполне достаточными для тех задач движения, которые ставились перед живым организмом.

Плоские черви

Планарии относятся к типу плоских червей. После физического разделения на части они могут полностью восстанавливаться. Их пищеварительная система не имеет ануса, и ее устройство можно назвать относительно простым. Дышат плоские черви всей поверхностью тела и находятся, как правило, в воде, поэтому для них критично пересыхание. Они живут в темноте и имеют скопление фоточувствительных клеток. Эти «глаза» плоские черви используют для перемещения туда, где темно – они избегают света.

Голова плоских червей содержит скопление нервных клеток, на ней расположены глаза.

Акаш Гуляни из Института биологии стволовых клеток и регенеративной медицины в Бангалоре в Индии (Akash Gulyani at the Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine in Bangalore) и его коллеги обнаружили удивительные свойства зрения плоских червей S. Mediterranea: они «убегают» от видимого света и в случае облучения их ультрафиолетом с максимальной чувствительностью в видимом спектре.

Однако более удивительные находки были впереди. После удаления головы планарии продолжали избегать света, но более – в ультрафиолетовом спектре. Через некоторое время вырастала новая голова с глазами, однако чувствительность к ультрафиолету была выше, затем восстанавливалась чувствительность к видимому спектру.

Этот пример показывает, что в одном организме возможно существование двух независимых и различных по происхождению механизмов световосприятия.

У многих животных весь анализ зрительной информации заканчивается в глазу и в дальнейшем с него начинается рефлекс, который проявляется в мышечном действии, к примеру это может быть прыжок с целью захвата пищи или движение к свету. Такое зрение используется рефлекторно, без какого-либо анализа. Иногда этот рефлекс кажется сложным, но никаких эмоций, никаких переживаний относительно увиденного у животного нет: зрение не осознается и не анализируется. То есть именно двигательная реакция на свет должна определять первое зрение как зрение, потому что многие клетки меняют свой метаболизм в ответ на наличие света (например, фотосинтез), однако мы не называем это зрением. До определенного момента можно характеризовать зрение как сигнал к какому-то движению. Комар – съесть. Хищник – бежать. Многие животные не понимают увиденного, так как зрение не проходит через их сознание.

Зрение лягушки, например, тоже проходит вне сознания, она не раздумывает: «Вот я вижу комара, какой он вкусный, съем-ка я его». Все ее зрение – как работа желчного пузыря, без понимания, что происходит.

По мере развития головного мозга часть зрительных функций и многие новые стали обрабатываться в нем. Так, помимо формирования глаза как камеры, стали образовываться зрительные представительства в коре головного мозга, которые позволяли осознавать зрительную информацию, сравнивать ее с увиденным ранее.

Развитие зрения у млекопитающих и приматов связано с эволюцией головного мозга, появлением речи, прямохождением и появлением новых задач, которые оно стало выполнять. Мы обсудим это, когда коснемся вопроса ленивого глаза.

Глаз по своему строению очень похож на камеру, но у него есть свои преимущества и недостатки.

Оптика проецирует мир на матрицу фотокамеры, а в глазу есть роговица и хрусталик, которые фокусируют окружающий мир на сетчатку и расположенные в ней фоторецепторы, воспринимающие поток света, проходящий через зрачок, и эти фоторецепторы генерируют сигнал, поступающий в кору головного мозга. У человеческого глаза очень много общего с камерой, но есть и отличия.

В сетчатке есть центральная часть, состоящая только из колбочек. Их плотность очень высокая, и все создано для того, чтобы эта часть сетчатки могла воспринимать изображение с максимальным разрешением. Например, она не содержит кровеносных сосудов на поверхности, чтобы не перекрывать проецируемое изображение.

Чем дальше от центра сетчатки, тем меньше плотность колбочек и выше плотность палочек. Из-за этой особенности мы видим четко только центром сетчатки (вы можете читать эту книгу только центром вашего поля зрения и не сможете распознать ни слова, если будете читать боковым зрением – попробуйте прямо сейчас). Центр сетчатки офтальмологи называют фовеолой. В главе «Зачем нам цвет» обсудим, что происходит, когда центр сетчатки не развивается.

В отличие от сетчатки разрешающая способность матрицы камеры одинаковая по всей поверхности, поэтому снимки получаются четкими (по крайней мере, та часть, которая находится в фокусе).

Все внутреннее пространство в цифровой камере, от передней линзы до матрицы, заполнено только максимально прозрачными элементами, чтобы ничто не мешало прохождению света. Если что-то попадет между линзами в камере, снимки получатся с дефектом, поскольку это затрудняет прохождение света.

В глазу разрешающая способность периферии сетчатки низкая и неравномерная – на ней есть кровеносные сосуды, которые не замечаются нами: они скрадывают часть видимой картины и расходятся по всей сетчатке, закрывая те участки, где располагаются, однако мы не видим никакой помехи. Если бы мы видели наши кровеносные сосуды, это были бы темные полосы, похожие на дождевых червей прямо на пути нашего взгляда. Но мозг просто отключает наше внимание к участкам, покрытым кровеносными сосудами, и мы темных полос не замечаем. Однако когда офтальмолог осматривает глазное дно, вы можете их видеть, потому что врач создает двигающуюся тень от этих сосудов, когда перемещает луч офтальмоскопа. Вы также можете увидеть их, если будете светить точечным фонариком внутрь глаза через веки. (Не делайте этого, если не уверены в безопасности источника света, просто поверьте, что так их видно.)

Как офтальмолог заглядывает внутрь глаза?

Офтальмологи заглядывают в глаз при помощи специального прибора – офтальмоскопа. Все типы прибора работают по одному принципу: взгляд врача и луч света находятся на одной прямой, поэтому доктору видно все, что находится в глазу пациента.

Никогда не задумывались, почему невозможно заглянуть в узкие отверстия с помощью обычного фонаря? Это происходит потому, что сложно светить и смотреть туда, куда падает свет, одновременно. Получается либо одно, либо другое. В офтальмоскопе эта задача решена при помощи системы зеркал, которые позволяют сделать так, чтобы пучок света был на одной оси со взглядом, благодаря чему офтальмолог может заглянуть в глаз. (По такому же принципу работает и отоскоп, при помощи которого педиатры заглядывают в уши.)

Рис. 16. Retina – сетчатка, macula – фовеола и макула

Рис. 17. Сетка нервов, зрительный нерв и сосуды

В глазу врач видит зрительный нерв, сетчатку и сосуды (рис. 17). При многих глазных заболеваниях могут наблюдаться различные изменения, заметные специалисту. Также можно обнаружить и заболевания нервной системы, если есть отек зрительного нерва, например при повышении давления внутри черепа, что может свидетельствовать об угрожающей патологии головного мозга.

Серьезную проблему для зрения представляет сахарный диабет: на глазном дне появляются кровоизлияния и новообразованные сосуды, которые могут разрушать сетчатку глаза. Изменения сосудов сетчатки при диабете могут быть причиной кровоизлияний в стекловидное тело. Диабет – ведущая причина необратимого снижения зрения в развитых странах.

Важным симптомом заболевания глаз считается изменение цвета зрачка, которое можно впервые заметить при фотографировании – оно может быть связано с тем, что свет отражается от патологического новообразования на глазном дне. В этой ситуации необходимо незамедлительно пройти осмотр. Такое проявление может быть признаком очень многих заболеваний, однако в детском возрасте в первую очередь необходимо исключить одно из них – ретинобластому.

Существует целая информационная кампания, которая пропагандирует фотографирование маленьких детей с фотовспышкой, поскольку это единственный метод выявить ретинобластому на ранних стадиях, пока не опасных для жизни. Ретинобластома – это генетически обусловленная опухоль сетчатки. Благодаря распространению фотокамер в телефонах это заболевание и стало выявляться на ранней стадии.

Также для осмотра глазного дна используют капли, расширяющие зрачки. После закапывания глаз нужно немного подождать. После того как зрачки расширятся, доктор смотрит глазное дно. Так же врач может увидеть изменения в хрусталике и стекловидном теле.

Глазное дно стоит осматривать всем, кто обращается к офтальмологу с жалобами.

На границе с центром сетчатки расположены очень тонкие капилляры, и многие их часто видят, хоть и не подозревают, что видят именно их. Если смотреть на голубое небо в ясную погоду, то немного в стороне от центра можно заметить полупрозрачные диски, которые выстраиваются в цепочку и передвигаются по линии. Это эритроциты – клетки крови, идущие по капиллярам рядом с центром сетчатки. В самом же центре мы не должны их видеть, так как там просто не должно быть кровеносных сосудов. Такой феномен наблюдается почти всеми людьми, однако мало кто догадывается, что видит свои эритроциты без микроскопа.

Центр сетчатки имеет максимальную разрешающую способность, а периферия – значительно меньшую. Весь объем пространства, охватываемый глазом, можно было бы представить в виде четкого изображения в центре и нечеткого в удалении от него. Мы не замечаем этого, потому что двигаем глазами и живем так с рождения. Благодаря движениям глаз мы направляем наш центр сетчатки на объект, который хотим разглядеть. Глаза при этом совершают резкие движения с короткой амплитудой, описывающие форму объекта. Они резко меняют фиксацию, иногда несколько раз за секунду. «Как же так? – скажете вы. – Я вижу всю картину четко».

Природа позаботилась о том, чтобы мы не замечали технических деталей. Одномоментно вы видите четко только узкую часть поля зрения, при этом глаза резко перескакивают с места на место, а вы даже не осознаете этого. Изображение представляется вам однородным и стабильным.

Незаметные движения глаз

Представьте: вы пришли в Третьяковскую галерею, чтобы посмотреть картину «Явление Христа народу» художника А. А. Иванова. Размер картины 5,4 на 7,5 метра. Полотно достойно изучения, художник работал над ним двадцать лет, после чего картину купил царь Александр II. Она очень содержательна, в ней много деталей – есть что рассмотреть.

В центре нарисован Иоанн Креститель, который совершает обряд крещения в Иордане и указывает на Христа. Слева от Иоанна – апостолы Иоанн Богослов, Петр, Андрей Первозванный. Рядом с Христом художник изобразил Н. В. Гоголя в красном облачении, а в образе странника с посохом недалеко от Иоанна – самого себя.

Даже если отойти на достаточное расстояние от картины, чтобы охватить ее целиком, глаза не смогут этого сделать. Каждое конкретное мгновение вы будете видеть только небольшую часть картины и никогда – целую. Движения глаз обманут вас, вы будете считать, что видите всю картинку целиком. Такие движения называются саккадами. Саккады – это резкое смещение точки фиксации; они позволяют установить центр сетчатки на важные части объекта, к которому приковано внимание.

Когда возникают сомнения в предметном зрении, саккадические движения подтверждают его наличие. Например, при осмотре ребенка до года. Отсутствие саккад выражается в плавающем взгляде, что характерно для угнетенных зрительных функций. Саккады – отличный пример того, как незримый техник-смотритель (мозг) обеспечивает идеальную работу зрения, создавая целостность картины втайне от сознания.

Хоть мы и пропускаем через сознание многое из того, что видим, и вроде бы сознательно управляем зрением, очень многое мозг делает за нас.

Рис. 18. Голова Нефертити. Схема саккадических движений глаз при рассматривании скульптуры

Вы совсем не думаете о том, что надо корректировать движение глаз в зависимости от движения головы. Мозг, как заботливый друг, взял эту заботу на себя. Например, вы читаете эту книгу и одномоментно двигаете головой. Или, еще сложнее, вы едете в машине по кочкам, следовательно, ваши шея и глаза в этот момент компенсируют движение головы.

Такие движения глаз называются вестибулоокулярными, их суть – в стабилизации изображения на сетчатках глаз за счет движения и компенсации изменения положения головы. Это позволяет сохранять изображение на одинаковых участках сетчатки. При движении головы глаза совершают такое же движение, но в обратном направлении. Известно два механизма управления такими движениями, в жизни они включены одновременно и обеспечивают их идеальную точность. Система определения тела в пространстве называется вестибулярной (поэтому и движения называются вестибулоокулярными), она заключена в полукружных каналах среднего уха и позволяет четко распознавать положение головы в пространстве. Вестибулярная система определяет направление и амплитуду мелких и резких движений головы и корригирует положение глаз так, чтобы изображение оставалось на сетчатке, а также компенсирует постоянную «активность» головы активностью глаз. Если исключить зрительные раздражения, движения глаз без зрительной фиксации в ответ на изменение положения головы называются вестибулоокулярным рефлексом. Более быстрые движения компенсируются с помощью контроля зрительной фиксации.

Медленные движения преследования

Система медленных движений преследования фиксирует взгляд на перемещающихся предметах в поле зрения. Идеальный пример – оптокинетический нистагм. Когда вы едете в поезде и, расслабившись и задумавшись, смотрите в окно, вне вашей воли глаза совершают постоянные колебательные движения. Они фиксируются на каком-то объекте в поле зрения, который входит в него по мере движения поезда, потом провожают его, возвращаются, находят новый объект и опять провожают, пока он не исчезнет. Тест на оптокинетический нистагм проводят также с вращающимся цилиндром, на котором закреплена метка. Его помещают перед человеком, у которого хотят вызвать такой нистагм, – при вращении цилиндра метка каждый раз появляется, проходя через поле зрения, и исчезает.

Непроизвольные движения глаз позволяют видеть мир целостно. Мы не замечаем этих движений, но именно они компенсируют недостатки нашего глаза.

Рефлекс на близь

Для детского офтальмолога более важен рефлекс на близь – он обеспечивает слаженную работу глаз на любом расстоянии. В офтальмологии он называется так потому, что его проявления отмечают при фиксации на объектах на близком расстоянии. Когда вы смотрите вдаль, зрительные оси глаз установлены параллельно друг другу, а когда разглядываете что-то, расположенное рядом, зрительные оси сходятся. Рефлекс на близь включает в себя:

1) Увеличение кривизны хрусталика из-за сокращения цилиарной мышцы при аккомодации на близь.

2) Схождение зрительных осей. (Такой процесс офтальмологи называют конвергенцией, а расхождение – дивергенцией.)

3) Сужение зрачка. Это увеличивает глубину фокуса на близком расстоянии.

Рефлекс на близь запускает механизм развития аккомодационного косоглазия. Аккомодация способствует отклонению глаза в сторону носа (сходящееся косоглазие) или виска (расходящееся косоглазие), отсюда и название. Дальнозоркость, особенно высокая, создает напряжение для аккомодации в детском возрасте. (В книге есть глава, где обсуждается отличие дальнозоркости от близорукости.) Напряжение аккомодации при дальнозоркости избыточно при взгляде вдаль и еще более избыточно при взгляде вблизи. В ответ на избыточное напряжение аккомодации растет напряжение конвергенции (движение глаз к носу). Оно может быть настолько сильным, что послужит пусковым механизмом для развития сходящегося аккомодационного косоглазия. В таких случаях (а также для полного исправления дальнозоркости) врачи назначают очки – самый важный способ и основа лечения. Очень часто в очках глаза у детей с косоглазием на фоне дальнозоркости выравниваются. Это связано с тем, что нивелируется первый этап формирования – рефлекс на близь.

Бывает, что аккомодация не включается в полном объеме, и тогда тонус мышц, которые ведут к содружественному движению глаз к носу, ослабевает. В таком случае может возникать расходящееся аккомодационное косоглазие, оно часто бывает при близорукости, потому что это заболевание предполагает наиболее расслабленную аккомодацию, но может быть и без нее.

Ношение очков при косоглазии

Очки нужно носить постоянно. Перерывы ведут к тому, что глаза ребенка никогда не расслабляются и изображение на сетчатках обоих глаз нечеткое, в такой ситуации может не создаваться условий для нормальной его фиксации обоими глазами.

Нужно предупредить родителей о том, что после начала ношения очков косоглазие может быть более выражено, когда очки не надеты. Это связано с тем, что теперь ребенок, привыкший носить очки и не имеющий напряжения аккомодации, сняв их избыточно напрягается, более выраженно, чем до того, как были выписаны очки, и это можно рассматривать как нормальную реакцию.

Рис. 19. Аккомодационное (сходящееся) косоглазие. Очки полностью расслабляют аккомодацию, и глаза становятся ровно

Как мы видим мир

Давайте представим себе, что можно использовать глаза как камеры наблюдения и просматривать то, что видят другие люди. Сейчас таких технологий нет, но мы просто фантазируем.

В популярном сюрреалистическом фильме «Быть Джоном Малковичем» герои фильма получили доступ к голове известного американского актера и начинают видеть мир его глазами, то есть все, что он делает и куда смотрит. Зрители тоже перемещаются в голову актера и видят все, что наблюдает Джон Малкович. Они не могут управлять его волей, только лишь наблюдать. Подобные сюжеты есть и в других фильмах. Если бы кадры этого фильма были реальны, перед нами предстала бы немного другая картинка.

Как мы помним, человеческий глаз видит четким только центр изображения; все, что попадает на периферию сетчатки, воспринимается смазанным и менее детальным. Как зритель, я за приоритет художественного замысла над точностью и никаких претензий к замечательному фильму не имею. Но давайте представим, какую картинку мы получили бы, если бы видеоинформация поступала прямо с глаз, как с камер наружного наблюдения.

Периферическим зрением мы не смогли бы прочесть даже крупные вывески. В жизни мы двигаем глазами, и мир кажется четким в любой точке пространства. Только мы подумали о чем-то, находящемся рядом с нами, как мозг уже установил центры сетчаток на этот объект. Но если бы была возможность вывести видимое изображение на монитор, оно вряд ли нам бы понравилось.

Мы не смогли бы даже определить границы изображения. То есть ограниченное монитором изображение уже не передает естественного видения глазами. Мозг отключает наше внимание, и мы не замечаем границы видимого изображения. Это очень сложно передать в кино. В фильме «Быть Джоном Малковичем» границы видимого его глазами были очерчены черным фоном. Снимки, сделанные камерой, обычно прямоугольной формы, и можно легко показать их границы. Какой формы были бы снимки, видимые глазами? Это сложно определить, поскольку границы видимого изображения скрыты от сознания. У меня нет идей, как передать этот феномен в фильме с точки зрения ощущений Джона Малковича.

Тем не менее при обследовании пациентов офтальмологи постоянно определяют границы видимого глазом. Если мы не видим их, то и не осознаем их изменения, и, если они происходят при каких-то заболеваниях, это должен определить врач. Определение полей зрения – метод, позволяющий врачу очертить его границы. Поля зрения могут сужаться, например при глаукоме, и мы этого действительно не замечаем. (При глаукоме повышенное внутриглазное давление воздействует на зрительный нерв, в результате страдают его волокна, что проявляется прогрессирующим сужением полей зрения.) Не замечаем настолько, что поле зрения становится трубчатым, и в этом случае пациент становится очень осторожным в движениях, чувствует некоторую неловкость, но может долго не понимать, чем это вызвано. В современных клиниках поля зрения определяют при помощи специальных приборов – периметров.

Рис. 20. Измерение полей зрения с помощью статической компьютерной периметрии

Суть метода: поместив голову внутрь прибора и глядя прямо, пациент должен нажимать на кнопку джойстика, если периферическим зрением увидит диоды в сфере прибора, загорающиеся в случайном порядке. После исследования компьютер вырисовывает границы поля зрения и возможные выпадающие участки.

Мы забыли, что у Джона Малковича два глаза и оба, будем надеяться, абсолютно здоровы. Что это меняет? Изображения глаз проецируются на воображаемый экран и чуть сдвинуты относительно друг друга, при этом предметы в пространстве сдвинуты по-разному в зависимости от того, насколько далеко они отстоят и на сколь близкое расстояние направлен взгляд. Примерно такую картинку мы видим, когда включаем телевизор в режиме 3D, а очков не надеваем. Добавьте к этому, что картинка четкая только по центру, а периферия размыта совсем. Я рад, что в фильме автор решил не передавать все физиологические особенности, ограничившись художественным замыслом.

В сетчатке свет взаимодействует с фоторецепторами, которые дают начало нервному сигналу, идущему затем в кору головного мозга, благодаря чему мы видим. Существует два типа фоторецепторов: палочки и колбочки.

Периферия сетчатки в основном представлена палочками, они лучше работают в сумерках. Подробно их функции мы обсудим в главе «Темновая адаптация». Палочки очень чувствительны к свету, но палочковое зрение обладает низкой разрешающей способностью (повторите эксперимент с чтением боковым зрением). При этом в сумерках им нет равных.

На стороне лучше?

Возможно, вы замечали такой феномен: когда едете в сумерках на велосипеде по дороге, соседняя колея кажется лучше. Это связано с тем, что вы смотрите на дорогу центром сетчатки, а соседняя колея попадает на ее парацентральный участок, где палочек больше, и в сумерках он видит лучше. Поэтому кажется, что соседний участок лучше освещен, и все время возникает желание сменить колею.

Сетчатка человека содержит примерно 6 млн колбочек и 120 млн палочек. Сигнал с фоторецепторов проходит через специальные клетки сетчатки и идет из глаза в мозг через зрительный нерв. На всем пути – от фоторецепторов до коры головного мозга – сохраняется взаиморасположение волокон, идущих в порядке расположения фоторецепторов на сетчатке, то есть сигнал от участков сетчатки передается по нервным волокнам, расположенным так же, как и части сетчатки.

Такая последовательность называется ретинотопической и позволяет использовать в диагностике заболеваний нервной системы периметрию, которая косвенно оценивает состояние как сетчатки, так и всего зрительного пути, тянущегося от глаза до затылочной части головного мозга. При его повреждении на разных уровнях появляются специфические изменения в полях зрения. Мы помним, что не осознаем их границ, поэтому выпадение даже больших участков полей зрения может не ощущаться. В таком случае без периметрии не обойтись. По изменениям полей зрения не составляет труда определить место поражения нервной системы (например, опухоль мозга).

Конечно сейчас есть более очевидные методы диагностики, такие как магнитно-ядерное резонансное исследование, однако периметрия не утратила своей актуальности и может быть первым шагом к началу диагностического поиска, ведь подозрения на поражение нервной системы при обращении к офтальмологу могут не оправдаться. В некоторых случаях определение полей зрения диагностически незаменимо, даже если есть возможность компьютерной визуализации головного мозга.

Как мы уже говорили, сетчатка позвоночных животных как бы вывернута наизнанку: фоторецепторы находятся позади слоя нервных волокон и сосудов. Ганглиозные клетки формируют своими отростками зрительный нерв и тоже находятся перед фоторецепторами, поэтому зрительный нерв должен проходить через сетчатку. В этом слое нет фоторецепторов, следовательно, этой частью глазного дна мы не видим, в поле зрения образуется слепое пятно, которое офтальмологи так и называют.

Глаз головоногих (например, осьминога) очень похож на человеческий, однако его сетчатка не инвертирована, фоторецепторы находятся спереди, поэтому у головоногих нет слепого пятна. У них также нет пигментного эпителия, вместо этого их фоторецепторы содержат пигмент ретинохром, который выполняет функцию экранирования. К тому же у человека и некоторых животных есть фовеола (участок, обеспечивающий максимальную остроту зрения), где нет капилляров и слои сетчатки тоньше, чтобы лучше пропускать свет. Такая разница в строении глаз связана с тем, что пути головоногих и позвоночных разошлись в развитии очень давно, до формирования сложного глаза.

В дальнейшем мы остановимся на недостатках инвертированной сетчатки, однако у нее есть и преимущества. Контакт фоторецепторов с пигментным эпителием позволяет обеспечить лучшую фоточувствительность, взаимодействие фоторецепторов и сосудистой оболочки тоже дает некоторые преимущества.

Рис. 21. На схеме показано, к каким изменениям полей зрения приводят различные уровни поражения зрительного пути в головном мозге. Изображено, как изменяются поля в зависимости от уровня поражения зрительных путей.

1) Повреждение зрительного нерва ведет к слепоте одного глаза, также отсутствует прямая реакция зрачка на свет, но должна сохраняться дружественной. 2) Повреждение перекрёста зрительных нервов ведет к выпадению височной части полей зрения обоих глаз, так как повреждаются носовые волокна. 3) Повреждение волокон после перекрёста – выпадают поля с носовой стороны на стороне поражения, так как поражаются волокна височной части, идущие от глаза на стороне поражения, и выпадают поля с височной стороны на другой стороне, так как повреждаются носовые волокна после перекрёста. 4) Изменение полей зрения при поражении части волокон в затылочной области

В сетчатке примерно 130 млн фоторецепторов, а в зрительном нерве содержится только 1–1,5 млн волокон. Куда же делись остальные? Ведь это в десятки раз меньше. Оказывается, в сетчатке зрительная информация обрабатывается достаточно сложным образом и в мозг она поступает уже частично преобразованной. Происходит конвергенция и обобщение сигнала, что благодаря работе горизонтальных и амакриновых клеток позволяет одному участку сетчатки контролировать информацию с другого ее участка и это дает возможность обрабатывать многие процессы, проходящие вне нашего сознания – например, воспринимать контраст и цвета вне зависимости от типа освещения и многое другое.

Рис. 22. Сравнение инвертированной сетчатки позвоночных и неинвертированной сетчатки головоногих (осьминоги). У инвертированной сетчатки теряется полезный участок из-за того, что человек имеет такой диск зрительного нерва: часть поля зрения, которая соответствует этому участку сетчатки, выпадает, но мы не замечаем этого, так как мозг отключает это выпадение

Горизонтальные и амакриновые клетки сетчатки регулируют импульсы, проходящие через ее нейроны, суммируют эти импульсы, участвуют в подавлении палочек или колбочек, тем самым обеспечивают зрение при разной интенсивности освещения, а также восприятие контраста, способность различать оттенки на свету и в сумерках. Функции регулирующих клеток сетчатки очень многообразны, и они еще не известны до конца.

Тем не менее на выходе только 1,5 млн нервных волокон. Не впечатляет, скажет читатель. Получается, человеческий глаз – это всего лишь 1,5-мегапиксельная камера? Это же очень низкая разрешающая способность по современным меркам. Это так и не так одновременно. Так, потому что действительно получается, что точек максимум столько, сколько волокон в зрительном нерве, а не так, потому что есть нюансы: высокая разрешающая способность у человека в центре его глаза, и вот там она лучше, чем у многих современных камер, просто площадь этой области не такая большая. Кроме того, глаза у человека два, и суммация изображения увеличивает разрешающую способность зрения.

Темновая адаптация

Как лучше бегать ночью – с фонариком или без? Время темновой адаптации. Зачем она нужна? Можно ли читать в полной темноте?

Если вы, как и я, увлечены бегом, то представляете, как неудобно без опыта бежать в сумерках, особенно в лесу или в поле. В лесу дороги неровные, есть ямы, лужи, корни деревьев, вы можете наткнуться на ветку, споткнуться и упасть. В общем, бегать ночью в лесу – не самая лучшая затея. Однако бег – это удовольствие, а в удовольствии сложно себе отказывать, и тут на помощь приходит темновая адаптация.

Что это такое? Это способность зрения адаптироваться к сумеркам настолько, чтобы можно было пользоваться зрением при низком освещении. Темновая адаптация наступает не сразу, а через несколько минут после того, как вы оказываетесь в темноте, потом постепенно повышается и достигает максимума через 30 минут. Условие для ее возникновения – нахождение в сумерках. Чем меньше света, тем выше ее уровень.

Темновая адаптация запускается благодаря тому, что включается палочковое зрение. В сетчатке, как мы помним, есть два типа клеток, чувствительных к свету: колбочки и палочки. Колбочки (мы обсуждали это в главе, посвященной строению глаза) помогают видеть четко и воспринимать цвета. Нет четкости без различия цвета, это связанные функции. Колбочка, как и палочка, – это клетка-фоторецептор, генерирующий импульс при попадании на него света. Благодаря тому, что существуют разные фотопигменты, разные колбочки максимально чувствительны к разным цветам.

У большинства людей три типа колбочек соответствуют трем типам фоторецепторных пигментов-протеинов (почему у большинства, а не у всех, смотрите в главе об ахроматопсии и людях, видящих больше оттенков, чем другие, стр. 132). Различное сочетание возбуждений разных типов колбочек дает нам представление об оттенках. Колбочки сконцентрированы в центральной части сетчатки, они помогают очень четко видеть и различать цвета. У этих клеток есть недостатки: они отсутствуют на периферии сетчатки, поэтому мы нечетко видим периферическим зрением. (Проверьте это прямо сейчас, попробуйте продолжать читать книгу боковым зрением.) И второй недостаток – они не работают в сумерках, когда темно, мы не различаем цвета. Отсюда пошло выражение «ночью все кошки серы».

Слишком много света

У пациентов с ахроматопсией отсутствие цветного зрения связано с тем, что колбочки не включаются по причине поражения гена, кодирующего фоторецепторный белок. Пациенты с ахроматопсией и днем пользуются палочками. Из-за этого у них возникает ощущение повышенной яркости. Мир становится как передержанная фотопленка – в нем мучительно много света. Таким людям приходится использовать красные очки, чтобы снизить интенсивность света, без очков они плохо видят. В сумерках зрение становится значительно лучше. Такое явление называется дневной слепотой. Люди с ахроматопсией постоянно находятся в состоянии темновой адаптации. Чтобы примерно понять, как они воспринимают обычный свет, можно после длительного нахождения в темноте резко выйти в помещение с очень ярким светом. В этом случае в норме кратковременно (пока не включится колбочковое зрение) будет наблюдаться дневная слепота.

В сумерках включаются палочки. Они нуждаются в очень низкой интенсивности света. Но совсем без света зрение не может работать никак. Возвращаясь к теме пробежки по лесу, можно сказать, что достаточно света луны или отражения света города от облаков. Примерно через двадцать минут темновой адаптации зрение в сумерках значительно улучшается, появляется возможность видеть объекты. Для меня это определяющий фактор, когда я бегу через лес. Если пробежка ночная, глаза адаптируются к низкой освещенности улиц сельской дороги на краю района. Когда я бегу из города в сторону леса, адаптация становится лучше – чем дальше от города и ближе к лесу, тем ниже уровень освещенности. Полной адаптации мои глаза достигают, когда я уже бегу по лесу, дорога 3 км – это примерно 18 минут медленным темпом. Темновая адаптация позволяет видеть почти всё. Достаточно света луны или его отражения от облаков, чтобы видеть объекты, расположенные на любом расстоянии, без хорошего освещения. Спустя двадцать минут нахождения в лесу мое зрение полностью готово для ночного бега, на обратном пути я ориентируюсь значительно лучше.

Чтобы достигнуть темновой адаптации, какое-то время нужно находиться в темноте. Она легко нарушается любым ярким светом, поэтому после длительного нахождения в темноте он мучительно ослепляет, это ее недостатки.

Многие коллеги-бегуны используют налобные фонари для бега ночью. С ним темновая адаптация не достигается, однако есть другие преимущества. Можно резко вбегать в темный лес с ярко освещенной улицы и при этом чувствовать себя хорошо. Фонарь обозначает человека для других участников движения. Однако в лесу с фонарем видно только в той части, где он светит, и совершенно невозможно охватить всю картину ночного леса, как это позволяет видение с темновой адаптацией.

Получается, если нужно срочно удалиться в темноту и что-то там быстро увидеть, лучше использовать фонарь. Если вы будете находиться в темноте долго и вам необходимо иметь полное представление о том, что вокруг, лучше прибегнуть к темновой адаптации.

В естественных условиях ночь сменяет день медленно – понятно, почему эволюция не сделала процесс адаптации мгновенным. Слишком мало времени существует электрическое освещение. Темновая адаптация может быть разной у разных людей. При некоторых заболеваниях сетчатки, и при высокой миопии (иначе близорукость) в зрелом возрасте, темновая адаптация может быть ниже. Это стоит учитывать.

Медленный процесс возникновения темновой адаптации связан с восстановлением родопсина в палочках. Родопсин – рецепторный белок, очень чувствительный к свету. В ответ на свет он запускает каскад реакций, которые реализуются в нервном сигнале, идущем от фоторецептора-палочки.

Родопсин сконцентрирован в отдельных дисковидных сегментах палочек, обращенных наружу. В условиях избыточной освещенности он засвечивается, происходит его изомеризация – у него изменяется структура. На восстановление всего количества родопсина в колбочке глаза человека необходимо около 30 минут.

В одном эксперименте было показано, что время темновой адаптации совпадает со временем восстановления родопсина и зависит от освещенности, предшествующей темновой адаптации. Однако ее глубина связана не только с восстановлением родопсина, но и с межклеточной регуляцией, подавлением одних клеток и включением других.

Белок родопсин связан с молекулой 11-цис-ретиналя – формой витамина А.

Неспособность к темновой адаптации наблюдается при дефиците витамина А, но он должен быть выраженным. В настоящее время встречается в странах Африки, где по-прежнему служит частой причиной слепоты у детей, которую можно было бы предотвратить. Витамин А содержится в зеленых, красных и желтых овощах. Кроме неспособности к темновой адаптации дефицит витамина А ведет к нарушению увлажнения глаза, что тоже опасно для зрения.

Мнение, что морковь полезна для зрения, относится только к той редкой ситуации, когда присутствует дефицит витамина А, однако в обывательских кругах морковь – общепризнанное средство от всех глазных болезней. В большинстве случаев она никак не влияет на зрение и специально есть ее не надо.

RHO-ген кодирует белок родопсин. Одно из состояний, возникающих при мутации в этом гене, называется врожденной стационарной ночной слепотой (CSNB – Congenital Stationary Night Blindness), заболевание проявляется в неспособности к темновой адаптации и ночной слепоте. Люди, страдающие таким заболеванием, жалуются на то, что не могут ориентироваться в сумерках. Это непрогрессирующее редкое заболевание. Только одна форма CSNB происходит из-за изменений в гене RHO (есть формы, связанные с другим типом наследования). В этом случае родопсин функционирует, как если бы глаз находился в состоянии постоянного яркого освещения, – мозг не воспринимает постоянную исходящую импульсацию, что проявляется в симптомах ночной слепоты.

Однако чаще изменения в гене RHO ведут к более тяжелому заболеванию – пигментному ретиниту (см. стр. 117). Мы обсудим его, когда будем говорить об офтальмологии будущего. Под пигментным ретинитом специалисты договорились понимать заболевания сетчатки с характерной клинической картиной, чаще проявляющейся в прогрессирующем поражении фоторецепторов сетчатки и изменении глазного дна – отложении пигмента. Причиной заболевания могут быть разные мутации, и протекать оно может с разными степенью тяжести и временем начала, поэтому под пигментным ретинитом подразумевают группу заболеваний. В отличие от врожденной стационарной ночной слепоты пигментный ретинит – прогрессирующее заболевание, ведущее к тяжелым нарушениям зрения. Мы до сих пор до конца не понимаем, почему некоторые мутации ведут к пигментному ретиниту, а другие – к врожденной стационарной ночной слепоте. Считается, что большинство случаев пигментного ретинита связано с мутациями в гене RHO; они проявляются в виде снижения зрения в сумерках, что влечет потерю способности к ориентации при слабом освещении и постепенное сужение полей зрения – развитие туннельного зрения. На момент написания этих строк адекватного лечения этих двух заболеваний нет, но перспективы мы обсудим в главе «Офтальмология будущего».

Родопсин – универсальный пигмент ночной адаптации для многих позвоночных, но есть и интересные исключения.

Рис. 23. Пигментный ретинит

Дневные ящерицы в ходе эволюции утратили палочки, поскольку в условиях постоянной дневной жизни они не нужны. Эволюция убирает всё лишнее. Если вы активны только днем, то фоторецепторы, которые не работают (палочки), просто занимают полезное место в сетчатке. Сетчатка таких ящериц содержит лишь колбочки, максимально чувствительные к разным спектрам дневного света. Напомню, что для работы колбочек нужно хорошее освещение и в сумерках они перестают функционировать.

Один вид гекконов решил жить ночью. Они, конечно, не принимали такого решения на общем собрании. Обстоятельства сложились так, что, возможно, корм перешел на ночной образ жизни – гекконы стали больше есть ночью, и их вид стал отделяться от дневных собратьев. Однако палочки, столь необходимые для ночной жизни, уже были утрачены их предками, когда они бодрствовали только днем. Сделать новые палочки гекконы не успели, но приспособили для ночного зрения колбочки – у ночного геккона они больших размеров, чем у их дневных братьев, что позволяет им быть чувствительнее. Постепенно у ночных гекконов появилось еще два пути адаптации к тому, чтобы видеть в темноте. Роговица ночного геккона имеет несколько оптических зон, то есть оптическая сила роговицы изменяется в разных отделах, благодаря чему гекконы могут фокусировать разные спектры видимого им света на поверхности сетчатки идеально четко. Это помогает нивелировать хроматические аберрации и способствует более высокой разрешающей способности глаза к разным спектрам видимого гекконам света (я специально пишу «видимого гекконам», потому что видимые спектры света для геккона и человека разные).

Свет, как мы помним, состоит из разных электромагнитных волн, которые преломляются в оптических системах. Разные составные цвета спектра дневного света в идеальной сферической системе фокусируются на разном расстоянии. Получается, что если один спектр света (например, зеленый) сфокусирован на сетчатке четко, то другой (красный) будет не в фокусе. Это явление называется хроматической аберрацией. Нашими глазами она просто не замечается (хроматические аберрации можно увидеть на фотоснимках, сделанных с использованием низкокачественной оптики: как правило, в стороны от объектов смещаются их пурпурные и зеленые «тени»), но используется офтальмологами на приемах. Возможно, вы вспомните, как офтальмолог просил сказать, на каком фоне лучше видно буквы – на красном или зеленом. Если вы говорите, что на красном, врач делает вывод, что этот цвет лучше фокусируется на сетчатку, а следовательно, рефракция глаза[15] сдвинута в сторону близорукости. Установкой линз перед глазом можно сдвинуть рефракцию в сторону дальнозоркости, и тогда символы на зеленом фоне будут четче видны. Оптика геккона учитывает эти особенности и изменена так, чтобы максимально четко фокусировать разные спектры видимого света, что позволяет наиболее экономно использовать тусклый свет в сумерках и не только хорошо видеть ночью, но и различать цвета.

Зрачок ночного вида гекконов отличается от зрачка дневного тем, что имеет щелевидную форму (у дневного вида он круглый). Исследователи считают, что это тоже способ адаптации – благодаря такой форме зрачка при любой его ширине сохраняется возможность проходящему свету преломляться во всех оптических зонах роговицы. Изменения в глазу ночного геккона позволяют максимально хорошо пользоваться колбочками ночью. И как бонус – цветное зрение.

Можно ли научиться читать в сумерках? Конечно, вы можете проделать этот эксперимент с сумерками и увидите, что постепенно в темноте появляется зрение. Однако для этого нужно, чтобы вы долго находились в условиях низкой освещенности. Но конечно же разрешающая способность вашего зрения в сумерках значительно снизится, и чтение будет сложнее, чем при хорошем освещении.

Типы наследования

Один из самых частых вопросов родителей на приеме, вызывающий недоумение: «Вадим, как у нашего ребенка может быть такое заболевание, если в роду его ни у кого нет?»

Я понимаю, что люди имеют весьма поверхностные знания о том, как наследуются генетически обусловленные признаки и какие варианты типов наследования бывают.

Чтобы продолжить разговор, нужно обсудить типы наследования. Уверен, большинство читателей знают о них всё, однако ко мне на прием приходят родители пациентов, которые многого не знают, но очень хотят разобраться – для них мы раскроем эту тему.

Генетическая информация человека записана в очень длинных молекулах – ДНК. Участки ДНК, содержащие информацию об одном функциональном белке, называют геном. Мы точно знаем, что ген может отвечать за определенное свойство организма, отдельный признак, кодировать ферменты каких-то реакций, регулировать работу других генов или кодировать строительные белки с какой-то целью. Как, оказывается, ген может многогранно характеризоваться: он способен быть строителем, регулятором, ускорителем, блокировщиком либо сочетать в себе несколько функций сразу. Фактически один ген кодирует лишь один белок, который потом участвует в реализации определенных свойств.

Мы знаем, что большая часть генетического материала дублируется: один мы получаем от отца, второй – от матери. Многие гены несут отличающуюся информацию и по-разному реализуют свои проявления в организме (именно поэтому мы все разные). Какой ген будет проявляться, если есть две копии? Проявится ли заболевание, если один ген патологически изменен, а второй нормален? Это как раз вопрос типа наследования.

Гены – это участки ДНК. Иногда, а именно при делении клеток, ДНК организуется в структуры, похожие на колбаски, – их называют хромосомами. ДНК не всегда находится в составе хромосом, большинство из которых похожи на букву Х. Обычно ДНК в составе ядра клетки не организована в хромосомах, а находится в разобщенном состоянии, так как участвует в процессе репликации. Хромосомы формируются только на время деления клетки.

Однако хромосомы удобны генетикам для упорядочивания – при обсуждении гена указывается, на какой именно хромосоме он расположен. Это многое упрощает и систематизирует, позволяет группировать гены, которые могут быть вовлечены в клиническую картину того или иного заболевания, когда кусок хромосомы куда-то пропадает, когда есть лишние участки хромосом или целые хромосомы.

В норме у человека 46 хромосом: 23 достались нам от отца и 23 – от матери. Есть пара хромосом, определяющих пол человека, их называют половыми. Хромосомы, не определяющие пол человека, называют аутосомными.

Каждый ген аутосомных хромосом имеет гомологичную (соответствующую ему) пару на хромосоме, доставшейся от другого родителя. Девочки имеют гомологичные гены и в гомологичных половых Х-хромосомах, это и делает их девочками.

Мы обсудим типы наследования заболеваний, но и нормальные признаки так же наследуются. Разберем типы мутаций на арифметическом примере сложения. В нашем случае 1.0 ≥ проявление заболевания.

Аутосомно-доминантный тип наследования заболевания

Тип наследования, при котором для возникновения заболевания, достаточно, чтобы один ген из пары генов на неполовых хромосомах был патологически изменен. Второй аналогичный ген из пары может быть нормальным:

1,0 + 0 = 1,0

Аутосомно-рецессивный тип наследования заболевания

Это тип наследования, при котором заболевание возникает, только если изменены два гена. Если изменен один ген, для возникновения заболевания этого недостаточно:

0,5 + 0,5 = 1,0

Забегая вперед, отметим, что тяжелые наследственные заболевания чаще всего аутосомно-рецессивные. Это легко объясняется тем, что живые организмы с аутосомно-доминантными заболеваниями имеют меньше шансов на продолжение рода в условиях естественного отбора: вероятность рождения потомства с проявлением заболевания у носителя патологичного гена в случае доминантного наследования составляет 50 %, а в случае рецессивного крайне мала (необходима встреча с парной мутацией в гомологичном гене).

Итак, заболевание, определяющееся рецессивным геном, может возникнуть только в том случае, когда два родителя носят в себе рецессивный ген, отвечающий за возникновение заболевания. Это маловероятная случайная ситуация. Факт, что гены именно рецессивные и не проявляют себя, если имеется только одна копия, и объясняет тот феномен, что большинство заболеваний не встречаются в прошлых поколениях. Если бы была возможность отследить все поколения очень далеко в прошлом, вероятно, подобные заболевания все же были бы.

Известный популяризатор науки британец Ричард Докинз в своей книге The Magic of Reality приводит интересные размышления о том, какова вероятность, что наши гены встречались в прошлом, то есть, возможно, имели общего предка, от которого мы произошли, после чего опять встречаемся и образуем пары. Он пишет, что, если рассмотреть любого коренного британца, скорее всего, у него с автором есть один общий предок, который жил несколько столетий назад. Если взять для рассмотрения коренного жителя Америки или Тасмании, скорее всего, окажется, что единый общий предок жил несколько десятков тысяч лет назад. Если взять представителя народа бушменов из пустыни Калахари, то придется еще больше углубиться в прошлое. Поскольку обычно знания любого человека о своих предках все же ограниченны и даже родословные всемирно известных монархов, потрясающие своей точностью и обширностью, теряются на фоне длинной ленты времен, утверждение, что ни у кого в роду такого заболевания не было, очень смелое.

В любом случае аутосомно-рецессивное заболевание тем и проявляется, что в роду его нет и оно просто результат случайной встречи двух носителей рецессивного патологического гена.

Генетики считают, что многие люди несут в себе гены различных заболеваний, не проявляющихся лишь потому, что случайная встреча двух патологичных гомологичных генов не произошла. В настоящее время возможно определить носителя известных патологических генов с помощью проверки всего генома человека, однако это по-прежнему дорогое удовольствие.

В современном мире, где население некоторых городов достигает нескольких миллионов, а миграция облегчена открытыми границами и развитым транспортом, гены перемешиваются очень активно и вероятность встречи партнера с тем же рецессивным геном незначительна.

Факт, что большинство признаков передаются рецессивно, объясняет то, что заболевание не обязательно должно быть у тех предков, которых мы помним, вероятность этого очень мала. Исключения могут составлять ограниченные популяции людей, то есть такие, в которых в силу сложившихся обстоятельств происходят близкородственные браки и рецессивные гены встречаются чаще. Ярким примером можно считать трагедию на острове Пингелап, где после тайфуна погибла бóльшая часть жителей, и это привело к близкородственным бракам и распространению цветовой слепоты. Этот случай мы опишем в отдельной главе, посвященной цветовому зрению.

Наследование, связанное с полом. Х-сцепленное рецессивное наследование. Х-сцепленное доминантное наследование

Мы уже обсудили, что женственность связана с наличием двух Х-хромосом. Мужчины имеют только одну Х-хромосому, вторую называют Y. Отец может передать своему ребенку как Х, так и Y— хромосому, мать – только Х. Если отец передаст Х-хромосому, плод будет формироваться как девочка, так как набор половых хромосом будет XX, а если он передаст Y-хромосому, родится мальчик. Если ген, определяющий заболевание, находится на X-хромосоме, у мальчиков он приведет к заболеванию, поскольку второго гомологичного гена нет. Став отцом, мальчик будет передавать этот ген только девочкам, у которых вряд ли будут проявляться симптомы заболевания (есть вторая Х-хромосома).

Мы обсудили особенности половой генетики человека, у животных пол может детерменироваться иначе. При Х-сцепленном доминантном наследовании с наличием одного измененного гена заболевание проявляется у девочек. Это редкий тип наследования, и в этой книге мы не будем его рассматривать.

Геном митохондрий

Митохондрии – это органеллы, вырабатывающие энергию для клетки. Считается, что в прошлом митохондрия была бактерией, которая попала в клетку, но не исчезла, а стала ее частью. Именно поэтому митохондрии содержат свою ДНК и, поскольку они отвечают за энергию, большинство заболеваний, связанных с митохондриальным геномом, – нейромышечные дегенеративные. Среди глазных заболеваний можно выявить такие, как наружная прогрессирующая офтальмоплегия и некоторые типы амавроза Лебера.

Митохондрии достались нам от матери. Сперматозоид не содержит митохондрий, возможно, потому, что ему надо быть компактным и шустрым. Яйцеклетка имеет много митохондрий, так как она уж точно не должна быть компактной. Только библейский персонаж Адам передал свои митохондрии Еве, у остальных мужчин это не получалось (уверен, это вопрос времени). Следовательно, все возможные заболевания, связанные с геномом митохондрий, передаются всегда от матери.

Митохондрии и движение

Хроническая прогрессирующая наружная офтальмоплегия (Chronic progressive external ophthalmoplegia (CPEO)) – заболевание, характеризующееся медленным прогрессирующим параличом наружных мышц глаза. Сначала появляется двухсторонний симметричный прогрессирующий птоз (опущение верхнего века), к которому позднее присоединяется парез (неполный паралич) глазодвигательных мышц.

Между развитием птоза и парезом глазодвигательных мышц проходят годы или месяцы. Цилиарная мышца и мышцы радужки не вовлекаются в процесс. Часто заболевание возникает между 18 и 40 годами жизни и все время прогрессирует. Люди с наружной прогрессирующей офтальмоплегией имеют и общую мышечную слабость, которая может вести к нарушению глотания. Обычно эта слабость проявляется во время физических упражнений и преимущественно в руках, ногах и шее. CPEO обычно начинается в молодом возрасте. Птоз, как правило двусторонний и симметричный, самый ранний признак CPEO может появиться за годы до появления признаков пареза экстраокулярных мышц. По мере прогрессирования птоза пациенты могут использовать лобную мышцу и пальцы для поднятия верхнего века и меняют положение головы. Описаны случаи офтальмоплегии без птоза.

Из-за симметричности поражения пациенты часто не жалуются на диплопию (двоение). Они могут даже не подозревать о снижении подвижности глазных яблок, пока она не станет ярко выраженной. Во многих случаях вниз смотреть легче, чем вверх или в стороны. CPEO протекает с постоянным усилением симптомов без периодов ремиссии и обострения. Пациенты могут жаловаться на сухость в глазах.

Как выглядит наш враг?

Наследственные заболевания глаз и сетчатки – серьезная проблема для моих пациентов. Пока мы только стоим на пороге того, чтобы лечить их. Это моя боль. Я опишу несколько типов дистрофий, чтобы читатель имел представление, с чем сейчас сражается наука.

Я хочу, чтобы будущие врачи-офтальмологи, касаясь вопросов лечения глаз, не опускались до представлений «надо подпитать сетчатку», «проколем курс витаминов» или «улучшим кровоток».

Инъекции ноотропов, витаминов и антиоксидантов под глаз при заболеваниях, причина которых в тонкой поломке сложнейшего устройства, произошедшей из-за того, что всего один нуклеотид в ДНК встал не на свое место, бесполезны. Срывается вся слаженная работа сложнейшего механизма, который мы и не понимаем до конца, – это стыд, упрощение и одновременно отказ от развития понимания того, как помочь пациентам. Дьявол кроется в деталях. В них и надо разбираться. Детали и внимание к мелочам – основа решения сложных проблем. Поэтому я хочу привлечь внимание именно к ним, чтобы не было примитивных предложений вроде ноотропов с антиоксидантами. Все эти инъекции под глаз, весь этот мусор – это, несомненно, стыдно и недостойно врача.

Мое эмоциональное отступление закончилось. Итак… поехали…

Пигментный ретинит

Ген родопсина один из самых древних в животном мире, его изменения – наиболее частая причина тяжелого повреждения в сетчатке, которое может вести к слепоте и слабовидению. Чаще всего это заболевание называют пигментным ретинитом. Однако изменения гена RHO, который как раз кодирует белок родопсин, не единственная причина пигментного ретинита. Поскольку другие гены также могут вызывать его симптомы, стоит говорить, что это не одно заболевание, а целая группа. Начало, скорость нарастания симптомов и время возникновения могут быть очень разными.

Мы посвятим этому заболеванию несколько страниц – это яркий пример сути проблем современной офтальмологии, которые мы и договорились обсуждать в этой книге. Пигментный ретинит – отличный пример дистрофии сетчатки, которая прогрессирует и могла бы быть остановлена на любом этапе, если бы существовала адекватная терапия. В будущем мы возлагаем очень большие надежды на генетическую терапию для этого заболевания на начальных проявлениях, когда структура сетчатки еще сильно не нарушена, и на электронные протезы – в запущенных случаях.

Автор этих строк верит, что это дело ближайшего будущего и, возможно, даже настоящего.

Пигментный ретинит – это группа редких наследственных глазных заболеваний, которые ведут к гибели светочувствительных клеток, в первую очередь палочек. Из-за этого люди с пигментным ретинитом не способны к темновой адаптации и очень плохо видят в сумерках (или не видят совсем). Соответственно страдает и периферическое зрение в целом.

Название этому заболеванию дали изменения глазного дна в виде отложений глыбок пигмента. Часто они имеют вид острых спиц, и их называют костными тельцами.

Причина пигментного ретинита чаще всего заключается в мутации одного из генов, который играет важную роль в работе сетчатки и обменных процессов в ней. Образующиеся скопления пигмента тоже разрушают слои сетчатки, в первую очередь страдают палочки, что ведет к снижению способности к темновой адапатации. Это происходит еще в детстве – сначала дети плохо ориентируются в сумерках, затем сужаются поля зрения, ребенок перестает замечать то, что расположено не прямо перед ним, снижается центральное зрение. Заболевание всегда прогрессирующее, способность видеть снижается. Пигментный ретинит привлекает внимание офтальмологов, генетиков и других ученых.

Уже известный нам ген RHO, отвечающий за синтез родоспина, который так важен для зрения в сумерках, оказывается самым частым геном, который в случае изменений в нем приводит человека в клинику пигментного ретинита. Вспомним, что родопсин – это рецепторный протеин, он изомеризуется в ответ на засвет, что ведет к появлению потенциала действия. Проще говоря, родопсин трансформирует энергию света в нервный импульс, находится в палочках и чрезвычайно светочувствителен, поэтому при дневном свете он засвечен и нормально функционирует только в сумерках. Восстановление родопсина при попадании в сумерки и составляет суть темновой адаптации.

Кроме мутации в RHO-гене известно еще более 60 вариантов, которые могут вызывать клинические проявления пигментного ретинита.

Разные мутации ведут к разным проявлениям, срокам возникновения и скорости развития заболевания.

Около 20 генов ассоциируются с аутосомно-доминантным типом передачи. Мутация в гене RHO – аутосомно-доминантная и составляет 20–30 % всех случаев пигментного ретинита.

Около 35 генов отвечают за аутосомно-рецессивный тип заболевания. Наиболее часто встречающаяся рецессивная мутация – это мутация в гене USH2A; это 10–15 % всех случаев аутосомно-рецессивного пигментного ретинита.

USH2A-ген несет в себе инструкцию для синтеза белка, называемого ушерином. Это важный компонент базальной мембраны, он находится во многих тканях. Функция этого протеина до конца не понятна – он обнаруживается в базальной мембране (тонком слое – границе между эпителием и соединительной тканью) внутреннего уха и сетчатки. Считается, что он принимает участие в работе соединения между нервными клетками.

Несколько десятков известных мутаций в этом гене ведут к возникновению пигментного ретинита. 10–15 % из них приходится на рецессивный пигментный ретинит, который долго не проявлялся.

Другие мутации (их описано около 400 в том же гене) вызывают синдром Ушера, выражающийся в снижении слуха и опять же пигментном ретините. До сих пор нет ясности, почему в одних случаях возникает только пигментный ретинит, а в других – еще и страдает слух.

Мутации различных генов, играющих ключевую роль в работе фоторецепторов, влекут нарушение работы последних – они погибают, что ведет к схожим клиническим проявлениям пигментного ретинита.

Другие мутации в этих же генах могут повлечь за собой другие заболевания сетчатки, такие как колбочко-палочковая дистрофия, при которой сначала возникает поражение центрального зрения.

Эти гены формируют инструкции для создания белков, принимающих участие в работе фоторецепторов. Некоторые мутации ограничивают функцию клеток, другие создают белок, оказывающий токсическое, разрушающее действие, и ведут к тому, что белок не работает так, как должен.

Например, ген ABCA4 помогает образоваться белку, который участвует в фототрансдукции – процессе трансформации света в нервный импульс. Мутации в ABCA4 могут привести к образованию разных белков, что может быть связано с рядом клинических проявлений – например, с колбочко-палочковой дистрофией, дистрофией Штаргардта, при которой в центре сетчатки накапливается инородный компонент – липофусцин; возрастозависимой дегенерацией сетчатки и классическим пигментным ретинитом.

Мы рассматриваем пигментный ретинит, потому что это идеальный пример для обсуждения повреждения сетчатки при наследственных заболеваниях. Это важно для понимания того, насколько вероятна генная терапия этого заболевания в дальнейшем. Кроме того, при пигментном ретините используют протезы сетчатки, это дает хорошие результаты, и, на мой взгляд, это уже часть наступившего будущего.

Ген может мутировать по-разному: если мутация в гене произошла в одном месте, она может вызвать пигментный ретинит, если в другом – это будет уже другое заболевание. При этом гены могут вести не только к изменениям в глазах: пигментный ретинит может быть проявлением мутаций различных генов. При этом разные мутации в одних и тех же генах могут вести к разным клиническим проявлениям заболевания.

В генетике вообще и в офтальмологии в частности много ситуаций, когда разные причины (мутации) ведут к одним и тем же проявлениям. Так, если определенная мутация ведет к патологии, возникающей из-за нарушения какого-то этапа в цепи последовательных обменных процессов, то мутации, ведущие к нарушению остальных этапов, приведут к поломке одного и того же процесса. То есть множество генов может быть вовлечено в один процесс, при котором недостаток любого из них приведет к одним и тем же последствиям.

Такой феномен, например, встречается при некоторых типах альбинизма.

Новые возможности генетической диагностики позволяют точно установить диагноз и определить, в каком именно месте генома произошла поломка. Сейчас это важно для каждого пациента: появляется возможность определить вероятность передачи патологии следующим поколениям. Однако особую важность этот вопрос приобретет чуть позже, когда мы будем владеть методами генетической терапии и широко ее использовать (а я верю, что это будет уже скоро – см. главу «Офтальмология будущего») для лечения генетических болезней вообще и заболеваний глаз в частности. При выборе генетического лекарства мало знания факта, что пациент страдает пигментным ретинитом или дистрофией Штаргардта[16], нужно будет знать, какая конкретно мутация и в каком гене вызвала патологические изменения.

В главе «Офтальмология будущего» мы обсудим, что еще офтальмологи придумали для пациентов с пигментным ретинитом и другими заболеваниями сетчатки.

Болезнь Беста

Еще один пример наследственного глазного заболевания, которое проявляется в разрушении центра сетчатки из-за избыточного продуцирования вещества, эту сетчатку разрушающего. Болезнь Беста – лишь пример похожих заболеваний, существующих в офтальмологии и не только. Существуют болезни, когда накопление веществ в клетках или между ними ведет или к разрушению ткани, или к тому, что она перестает хорошо выполнять свои функции.

Болезнь Беста известна также как вителлиформная макулярная дистрофия второго типа (VMD2), в первую очередь встречается среди коренных европейцев. У разных людей выраженность клинических проявлений может отличаться. Дистрофия Беста обычно начинается в подростковом возрасте и носит аутосомно-доминантный характер. То есть для возникновения заболевания достаточно наличия всего одного патологического гена.

Заболевание проявляется в отложении желтого пигмента (липофусцина) в макуле, который участвует в строении клеток сетчатки. Со временем ненормальное накопление липофусцина повреждает критически важные для четкого центрального зрения клетки.

Исследователи описали два типа вителлиформной центральной дистрофии сетчатки со схожими чертами. Болезнь Беста чаще начинается в детстве, первые симптомы, время начала и выраженность могут варьироваться. Взрослая форма начинается позже, обычно в среднем возрасте, и ведет к медленному снижению зрения.

Мутации в генах BEST1 и PRPH2 вызывают вителлиформную макулярную дистрофию. BEST1 отвечает за дистрофию Беста и некоторые формы протекания у взрослых. Изменения в PRPH2 также могут вызвать начало вителлиформной дистрофии сетчатки в зрелом возрасте, однако только четверть пациентов имеют мутации в этих генах. В большинстве случаев причина заболевания остается неясной.

BEST1 кодирует белок, называемый бестрофином. Он работает как канал, контролирующий движение заряженных атомов хлора (хлорид-ионов) из клеток в сетчатку. Мутация в гене BEST1, возможно, ведет к созданию аномального канала, который не может нормально регулировать движение ионов хлора. Из-за этого начинает накапливаться липофусцин, разрушающий клетки сетчатки. Однако исследователи пока не описали механизм, как именно изменения в движении хлора ведут к накоплению липофусцина.

PRPH2 кодирует белок периферин-2, необходимый для нормальной работы фоторецепторов, из-за разрушения которых при мутации этого гена происходит снижение зрения. Любопытно, что при таком типе мутации поражаются только клетки центра сетчатки, однако причина такой избирательности остается неясной.

Иногда у пациентов с дистрофией Беста может формироваться аномальная васкуляризация (образование новых сосудов) сетчатки, ведущая к кровоизлияниям, которые могут быть причиной неожиданного снижения зрения. Поэтому таким пациентам необходимо наблюдение у офтальмолога.

Периферическое зрение при болезни Беста сохраняется, в связи с чем необходимо применять электронные и оптические увеличители, учить детей пользоваться ими. Несвоевременное введение средств реабилитации слабовидящих ведет к тому, что дети могут быть ограничены в источниках информации и образования.

Болезнь Баттена

Более тяжелый пример, когда в тканях глаза накапливается то, чего там быть не должно, – это болезнь Баттена.

Болезнь Баттена, или нейрональный цероидный липофусциноз, – это семейство редких заболеваний, вызываемых рецессивной генетической мутацией, которая нарушает способность клеток избавляться от мусора, отсутствует баланс построения и утилизации жиров и белков. Известно 14 форм болезни Баттена, они обозначаются как CLN1-CLN14.

Пациенты с болезнью Баттена страдают от прогрессирующих неврологических проблем, вызванных повреждением клеток.

Из-за того что варианты генетических мутаций сильно отличаются, заболевание может протекать у разных людей по-разному. Но, хотя симптомы и отличаются, есть нечто общее, позволяющее объединить их в один диагноз.

Болезнь Баттена – это летальное (приводящее к смерти) наследственное заболевание нервной системы, которое чаще всего начинает развиваться в детстве.

Ранние симптомы обычно проявляются между пятью и десятью годами, когда родители или врачи отмечают, что до этого нормально развивающийся ребенок вдруг начинает страдать от проблем со зрением или судорог. Иногда начало заболевания выражается в изменении поведения и может проявляться в неуклюжести, медленной обучаемости, ребенок может спотыкаться. Спустя время у детей проявляются когнитивные нарушения, усиление судорог и прогрессивное ухудшение зрения и двигательных навыков.

Болезнь Баттена названа в честь британского педиатра, который впервые описал ее в 1903 году. Симптомы ее связаны с накоплением в клетках липофусцина. Липопигмент накапливается в клетках мозга, глаз, кожи, мышц и других тканей. Вещество обнаруживается внутри клеток в органеллах, называемых лизосомами. Они ответственны за то, чтобы удалять из клетки все лишнее, ненужное. Если лизосомы не справляются, накапливается липофусцин, который нарушает функцию клеток.

Для большинства наследственных заболеваний сетчатки нет специфического лечения. Но ситуация меняется, уже есть генетические препараты, разрешенные FDA для лечения амавроза Лебера, и когда эта книга выйдет в свет, спектр заболеваний, с которыми можно справиться с помощью генетической терапии, уже расширится, появится специфическое лечение. Пока офтальмологи могут рекомендовать пациентам образ жизни, который может повлиять на скорость развития заболевания. Например, отказ от курения, по некоторым данным, способствует тому, что пигментный ретинит протекает медленнее. Изменения в диете и физической активности тоже показывают разную степень влияния на скорость прогрессирования заболеваний. К сожалению, эти факторы влияют незначительно и вылечить наследственные заболевания глаз невозможно.

При наследственных заболеваниях глаз часто используют препараты с недоказанной эффективностью, которые просто не работают. Это беда офтальмологии. Много лет назад, когда я только начинал работать, мы думали, что так называемые нейротрофическая терапия, витаминотерапия и физиотерапия при наследственных заболеваниях сетчатки вот-вот исчезнут. Но и сейчас можно услышать, что надо «подпитать сетчатку», «улучшить кровоток», «попытаться затормозить заболевание». Для этого используются так называемые ноотропные препараты и антиоксиданты. Поскольку они, конечно же, никак не могут изменить генетическую ошибку, из-за которой заболевание возникло и прогрессирует, то и не оказывают положительного влияния на течение заболевания. Мне сложно разговаривать с коллегами, продолжающими использовать такое «лечение», я слышу аргументы: «Мы же должны что-то делать», «Хуже не будет». Я за цивилизованный подход: необходимо стремиться к тому, чтобы использовать в диагностике и лечении только то, что имеет доказанную эффективность.

Бесполезны и всевозможные «сосудистые препараты». Жалко, когда пациенты тратят время и средства на подобное бесполезное лечение. Жаль, что подобная практика никак не канет в Лету.

Нецивилизованный подход, использование шаманских методов лечения, ноотропов, антиоксидантов, всевозможных улучшайзеров в инъекциях под глаз не дает возможности даже приблизиться к разговору о том, что реально работает, – слишком велика пропасть между шаманством и современной наукой. В моем понимании, если врач считает, что может как-то повлиять на заболевание, вызванное конкретной поломкой ДНК, инъекциями витаминов или ноотропов, он очень далек от представления о сути заболевания. Слова «хуже не будет», «улучшить питание» звучат очень глупо. Я не хотел бы, чтобы врачи имели такое представление о пигментном ретините или о болезни Беста, что его надо подпитать, – это прямое непонимание процессов, происходящих в сетчатке при этих заболеваниях.

Что такое цвет?

Цвет настолько привычное для нас явление, что обычно мы говорим о нем как о бытовом явлении или в художественном, описательном смысле.

У многих есть любимый цвет, есть цвета, вызывающие ассоциации, означающие целые идеологии (если это цвет флага, например).

А между тем видимые цвета – это лишь узкая полоска всего спектра электромагнитных волн. Мы дали условные названия разным отрезкам видимого спектра электромагнитного излучения и используем их в быту. Несомненно, восприятие цветов – это объективное отражение физических свойств окружающих нас предметов. Однако восприятие цветов другими живыми существами часто существенно отличается только потому, что видимый спектр у них может быть в другом диапазоне и/или количество типов фоторецепторных белков будет отличным от нашего (обсудим это позже), что порой позволяет им видеть иначе.

Восприятие цвета не у всех существ одинаковое, оно отличается даже у разных людей, и в этом вопросе мы продолжаем удивлять сами себя. Но давайте обо всем по порядку.

Для начала надо определить, что такое цвета. Это части спектра электромагнитных волн видимого диапазона и их сочетания, которые мы можем различать между собой при помощи зрения. Люди дали названия основным цветам, чтобы было проще обозначать их в общении. Между тем, как мы и говорили, это всего лишь часть электромагнитного излучения, и она достаточно узкая.

С точки зрения физики под электромагнитным излучением понимают электромагнитные волны, которые проходят через пространство и несут энергию. Они характеризуются чередованием электрических и магнитных полей, перпендикулярных друг другу и источнику излучения. Для нас важно, что электромагнитные волны, как и любые другие, имеют такие характеристики, как частота и длина. Частота – это периодическое равномерное изменение чего-либо в единицу времени. Колебания электромагнитных волн можно охарактеризовать частотой, однако чаще используют термин «длина волны». Этот термин используют при обсуждении цвета и цветового зрения. В физике радиоволн для характеристики чаще используют частоты волн. Оба эти понятия взаимозаменяемые и используются в зависимости от важности того или другого свойства.

Электромагнитные волны условно разделяются в зависимости от частоты на радиоволны, длинные волны, микроволны, инфракрасный и видимый свет, ультрафиолет, рентгеновское и гамма-излучение. Это деление условное, потому что даже понятие «видимый свет» относительно в зависимости от того, к какому виду или даже индивидууму мы его относим. Нужно просто понимать, что свет – это электромагнитная волна и то, что мы называем его светом, другое излучение теплом, а третье – ультрафиолетовым излучением, условно. Фактически мы всегда говорим об одном и том же явлении, и если для нас это деление очевидно, то, например, для стрекозы уже может быть не так.

Видимый свет – это та часть электромагнитного излучения, которую мы способны определять глазом. Здесь мы рассмотрим только эту часть электромагнитного излучения. Можно ощущать инфракрасное излучение всей поверхностью тела как тепло или холод, но это выходит за пределы интереса этой книги.

Все ли мы видим цвета одинаково?

До открытия волновой природы цвета этот вопрос не был решен до конца, и многие серьезные ученые считали, что предметы окружающего мира не несут цвета, что он – плод работы мозга или воображения. Как же мы определяем цвет? Почему видим, что перец бывает красным или желтым?

В настоящее время понятно, что восприятие цвета происходит из-за наличия в сетчатке глаза клеток-колбочек, которые максимально чувствительны к электромагнитному излучению определенной длины волны. Когда они возбуждаются и подают сигнал через цепь нейронов в кору головного мозга, у живого организма возникает ощущение цвета. В человеческом глазу (у большинства людей) три типа колбочек, каждый из них максимально чувствителен к электромагнитному излучению определенной длины волны, которые мы определили для себя как красный, синий и зеленый. Комбинация этих цветов дает ощущение множества цветов и оттенков. Цвет по-гречески «хромос», а цветное зрение называют хроматическим. В зависимости от того, сколько типов опсинов есть у живого организма, его зрение называется монохроматическим, дихроматическим, трихроматическим и т. д. Большинство людей обладают трихроматическим зрением. Почему большинство, а не все, рассмотрим в этой главе, когда будем обсуждать ахроматопсию и людей, которые видят больше оттенков цветов, чем остальные.

Фоторецепторные клетки содержат белковые светочувствительные пигменты, трансформирующие через каскад реакций энергию света в нервный импульс, который идет в головной мозг. Благодаря тому, что разные опсины максимально чувствительны в разных спектрах видимого света, мозг, получая сигналы от соответствующих колбочек, составляет представление о цвете и оттенках.

Нормальное трихроматическое зрение возможно благодаря опсинам, определяющим три типа колбочек, в которые они входят. Благодаря этим опсинам колбочки могут быть максимально чувствительны в красном, синем или зеленом спектре видимого света. Точнее сказать, спектр видимого света именно такой, потому что есть эти три типа опсинов.

У других видов живых существ количество опсинов может быть иным, сответственно способность различать цвета может сильно отличаться от среднечеловеческой как в пределах одного спектра, так и за его пределами. Тем не менее эволюционную преемственность разных опсинов можно отследить.

У человека есть три основных типа зрительных опсинов, которые имеют максимальную чувствительность в разных спектрах.

Ген OPN1LW обусловливает синтез опсина, наиболее чувствительного к свету в желто-оранжевой части видимого спектра (длинноволновый свет). Колбочки, которые содержат этот пигмент-опсин, называют длинноволновыми, или L-колбочками. В научно-популярной литературе их еще называют красными.

«Красный» OPN1LW-ген локализуется рядом с геном, который отвечает за синтез «зеленого» опсина OPN1MW (он содержит инструкцию для фотопигмента с максимальной чувствительностью в желто-зеленом спектре), оба они находятся на X-хромосоме. Большинство людей имеют только одну копию гена OPN1LW и несколько копий гена OPN1MW.

«Синий» ген OPN1SW кодирует синтез синего фотопигмента-опсина, наиболее чувствительного к сине-фиолетовой части спектра. Колбочки, содержащие этот опсин, называются коротковолновыми, или синими, или S-колбочками.

Комбинация сигналов с разных типов колбочек дает представление о цвете, формирующееся в головном мозге.

Не видящее зрение

Кроме зрительных, есть опсины незрительные, мы просто упомянем о них, поскольку эта книга все же о зрении.

Последние исследования показали, что некоторые ганглиозные клетки светочувствительны благодаря наличию в них фоторецепторного белка – меланопсина. Меланопсин у человека находится в ретинальных внутренних светочувствительных ганглиозных клетках. Эти ганглиозные клетки можно отнести к третьему классу фоторецепторов наравне с палочками и колбочками. Они составляют малую долю от всех ганглиозных клеток (около 1 %), могут долго генерировать сигнал и не участвуют в зрении, а уведомляют организм об уровне освещенности для других, незрительных, нужд.

Эта система необходима по крайней мере для следующих нужд:

1. Играет важную роль в установке циркадных ритмов, в 24-часовом суточном цикле смены дня и ночи.

2. Участвует в регуляции размеров зрачка и других ответах на воздействие света.

3. Способствует регуляции гормона мелатонина.

Есть много работ, указывающих, что нарушение функции меланопсина может быть одной из причин сезонного аффективного расстройства.

Мутации в генах опсинов вызывают цветоаномалии, то есть нарушения восприятия цвета. Мы отметили, что два гена расположены на Х-хромосоме – именно поэтому цветоаномалии чаще всего бывают у мужчин. У женщин есть две Х-хромосомы, и гены опсинов дублируются (то есть у них присутствуют не только аномальные варианты этих генов).

Перечисление типов цветоаномалий не кажется мне интересным, для этого есть Интернет, вы сможете сами их найти. Я хотел бы остановиться на более интересных фактах.

У большинства людей три типа зрительных опсинов, поэтому по количеству типов опсинов людей относят к трихроматам.

Животные видят мир в других цветах – одни различают меньше оттенков, другие больше. На самом деле о способности животных различать цвета мы имеем очень смутные представления. Реальные эксперименты в основном состояли в том, что животным предлагалось выбирать кормушки в зависимости от цвета и вырабатывались условные рефлексы. Или же мы судим о цветовосприятии животных по имеющимся у них опсинам.

Скорее всего, человеческий глаз – хороший середнячок. Многие животные могут различать цвета в более широком спектре, чем видимый наш, а многие способны и более четко различать оттенки в нашем спектре. Кто-то проиграет нам соревнования по различению цветов, а до кого-то нам очень далеко. В любом случае цветовое зрение точно подстроено под образ жизни того, кто им пользуется, ничего лишнего, но и всё по максимуму.

Мы знаем, что многие животные видят в ультрафиолетовом свете, например насекомые. В Интернете можно найти очень интересную лекцию британского популяризатора науки Ричарда Докинза о зрении насекомых. В ней он говорит об ультрафиолетовом саде, существующем вне нашего зрения. Сад, в котором цветы растут не для нашего удовольствия, а для собственных целей. В этой лекции Докинз выступил против антропоцентрического взгляда на природу. Он исследовал ультрафиолетовые рисунки на цветущих растениях, которые неразличимы человеческим зрением, но прекрасно видны пчеле, и задает вопрос: «Для кого же сущесвуют цветы? Для нас? Мы не видим и половины их красоты».

Цветы используют окраску для привлечения насекомых, которая нам совсем не видна.

Почему мы так видим?

Начнем с приматов. Наш отдаленный предок, только внуки которого стали млекопитающими, имел тетрахроматическое зрение, но когда появился первый теплокровный предок всех млекопитающих, он, скорее всего, склонялся к ночному образу жизни и потерял два опсина из четырех за ненадобностью.

Эволюция ничего не оставляет просто так. Мы уже приводили пример с фоторецепторами, когда обсуждали эволюцию зрения, и выяснили что ничего в живом мире не сохраняется на всякий случай.

Если оставить в глазу фоторецепторы, которые не используются организмом (на всякий случай, а вдруг когда понадобятся), они будут занимать место на сетчатке – то место, где могли бы расположиться полезные фоторецепторы. Это будет вести к снижению разрешающей способности сетчатки (полезные рецепторы будут находиться дальше друг от друга и бесполезно передаваться из поколения в поколение), ухудшать функции глаза и мешать выживаемости. Понятно, что в такой ситуации ближайшая мутация, которая отключит эти клетки, окажется закрепленной.

Это происходило очень давно, еще во времена динозавров. Большинство костистых рыб, рептилий и птиц – тетрахроматы, в то время как большинство млекопитающих – дихроматы, кроме приматов и сумчатых (трихроматы) и морских млекопитающих (монохроматы).

Стоит отметить, что не все приматы обладают трихроматическим зрением, то есть тремя типами колбочек, существуют ночные приматы, имеющие только один тип. Существуют приматы-бихроматы. У некоторых приматов есть половое различие в количестве типов колбочек.

Генетически у приматов есть два варианта трихромазии (способность воспринимать три основных цвета). Все они имеют ген синих колбочек, который кодирует коротковолновый, «синий» опсин (S-опсин) – это ген OPN1SW, его мы уже обсуждали. Узконосые обезьяны имеют два смежных гена на X-хромосоме, кодирующих L- («красные») и M-опсины («зеленые»).

В противоположность им широконосые обезьяны имеют полиморфный локус на Х-хромосоме, который может быть случайно представлен одним из генов, поэтому каждый самец широконосой обезьяны – дихромат: он имеет только одну Х-хромосому, а она случайно может нести в себе M- или L-ген в этом локусе вдобавок к синему S-гену. Самки могут быть как дихроматами, так и трихроматами в зависимости от того, какие гены находятся в их X-хромосомах – одинаковые или разные. Интересный полиморфизм, не правда ли?

Многие эволюционные биологи считают, что L- и M-гены приматов имеют один источник. Есть две популярные гипотезы, объясняющие появление этих генов у приматов.

Первая заключается в том, что оба гена, M и L, узконосых обезьян развились путем кроссинговера. Ошибка при кроссинговере привела к тому, что образовались два аллеля вместо одного.

Кроссинговер – это процесс обмена схожими участками хромосом при образовании половых клеток. Половые клетки, такие как сперматозоиды или яйцеклетки, образуются путем особого деления, которое называется мейозом. В процессе подобного деления в каждой половой клетке остается половина всего генетического материала. Как результат, весь генетический материал тасуется, как колода карт, – такой процесс обеспечивает изменчивость. Гипотеза подразумевает, что в результате такой перетасовки в одной половине возникло сразу два гена. Мы помним, что широконосые обезьяны имеют один ген на каждой Х-хромосоме, который может отличаться от другого в парной X-хромосоме, и тогда самка широконосой обезьяны будет обладать трихроматическим зрением. Так вот, если принять, что узконосые и широконосые обезьяны имели общего предка – самку, у которой кроссинговер удвоил количество генов на одной хромосоме и перенес на соседние места L- и M-гены, в последующем и самцы, и самки узконосых обезьян стали получать X-хромосому, содержащую два гена, и превратились в трихроматы. А одногенная Х-хромосома за ущербностью канула в Лету.

Согласно второй теории, после разделения с широконосыми обезьянами у узконосых возникла дупликация генов, затем произошла мутация одного из них и разделение на M- и L-гены. У широконосых обезьян M- и L-гены развивались в результате параллельного процесса.

Возникает вопрос: что изменилось? Длительное время млекопитающие жили с дихроматическим зрением, и вдруг приматам зачем-то понадобилось становиться трихроматами. Что произошло? По этому поводу тоже есть теории, объясняющие этот феномен.

Фруктовая теория

Изучение спектральной чувствительности колбочек трихроматов показало, что такое зрение словно специально подстроено для того, чтобы удобнее было отличать фрукты на фоне разноцветной спелой листвы. Разница в спектральной чувствительности L- и M-колбочек идеальна именно для этой задачи. Несмотря на то что эта теория имеет много данных, подтверждающих ее, она подвергается критике – последние исследования показали, что для этой же задачи вполне достаточно дихроматического зрения.

Синий цвет

Когда вы длительное время смотрите на экран монитора, вы впускаете в глаза синий свет. Однако нет никаких доказательств того, что он может навредить глазам. Теоретически синий свет несет много энергии, и возникали предположения, что от него стоит создавать специальную защиту для сетчатки. Эту гипотезу взяли на вооружение маркетологи и продвигают специальные очки в качестве защиты от синего света. Однако пока это опасение остается неподтвержденным.

Некоторые люди испытывают усталость или дискомфорт после работы за компьютером или играми в телефоне. Но такие жалобы скорее связаны с напряжением или снижением частоты моргания и подсыханием поверхности глазного яблока, чем с самим свойством монитора.

Синий свет нарушает циркадный ритм организма, иными словами, разрушает нормальный цикл сна и бодрствования. Если в глаза поступает яркий свет, организм считает, что спать еще нескоро, и это может быть причиной нарушения сна, что, в свою очередь, может давать пуск развитию других, связанных с этим проблем, но не с глазами.

Есть немало информации о том, что компьютер – это источник синего света, однако многие забывают, что самый большой его источник – Солнце.

Другие источники – LED-лампы и флюоресцентные лампы. Компьютером синий свет излучается в значительно меньшей степени, чем Солнцем.

Пока нет каких-то убедительных данных о том, что синий свет вредит глазам. Ультрафиолет может вести к катаракте, повреждению центра сетчатки и онкологическим заболеваниям глаза. Поэтому стоит использовать защиту от ультрафиолетового излучения, и не только для глаз, однако пока нет никаких оснований для специальной защиты от синего света.

Гипотеза молодых листьев

Эта теория основана на следующей идее. Преимущество обладания различными пигментами M- и L-колбочек заключается в том, что во время нехватки фруктов способность животного идентифицировать более молодые и красноватые листья, которые содержат большее количество белка, приведет к более высокому уровню выживания. Эту теорию подтверждают факты, свидетельствующие о том, что трихроматическое цветовое зрение возникло в Африке, поскольку в этой среде стало недоставать инжира и пальм, что увеличило потребность в таком варианте цветового зрения. Тем не менее она не объясняет отбор полиморфизмов трихроматичности, наблюдаемых у дихроматических видов родом не из Африки.

Эволюция обонятельной системы

Выбору цветового зрения, возможно, способствовало обоняние. Исследования показывают, что потеря генов обонятельных рецепторов может совпадать с развитой чертой полного трихроматического зрения. Другими словами, по мере ухудшения обоняния и, следовательно, способности идентифицировать наиболее важные для выживания источники питания возрастала необходимость улучшения других ощущений и повышалась вероятность того, что трихроматические мутации цветового зрения становились выгодными. Возможно, развитие трихроматического зрения вело к исчезновению комуникаций при помощи феромонов.

В целом исследования показали, что концентрация обонятельных рецепторов напрямую связана с приобретением цветового зрения.

Гонка вооружений

Глаза стрекозы имеют глобулярную (шаровидную) форму, что дает некоторое понимание того, как она видит. Стрекоза обладает хорошим цветовым зрением, лучшим, чем у многих других представителей животного мира.

Изучение около 12 видов стрекоз показало, что каждая из них обладает не менее чем 11, а некоторые даже 30 зрительными белками.

Означает ли это, что, имея столько опсинов, стрекоза видит мир иначе, чем мы? Скорее всего, да.

Японский ученый Рио Футахаши (Ryo Futahashi) открыл, что в разные моменты жизни стрекозы используют разные опсины. Например, лавра (стадия личинки) имеет недостаток синего опсина; так происходит потому, что синий цвет нечасто встречается в этот период жизни стрекозы.

Другое исследование показало, что стрекоза способна видеть ультрафиолет, зеленый и красные цвета. Вероятно, она может определять поляризованный свет, отражающийся от гладкой поверхности воды, и лучше различает цвета, чем человек.

Однако в сравнении с человеческим зрение стрекозы все же имеет много недостатков. Обладая корой мозга, человек может осознавать увиденное, что вряд ли можно сказать о стрекозе.

Цветовая слепота. Ахроматопсия

Мое зрение похоже на расфокусированный черно-белый фильм. Если случается солнечный день, то он становится просто белым цветом.

Кейтли Смит, певица и автор песен

Пингелап – остров цветовой слепоты

Пингелап – атолл в Тихом океане, который принадлежит Микронезии, часть штата Понпей. В его состав входит три острова: Пингелап, Сукору и Декаэ, связанные системой рифов. Обитаем только остров Пингелап. У народа, живущего там, даже есть свой язык.

В конце 1775 года мощный тайфун обрушился на остров и убил большинство жителей. Выжило около 20 человек. Они стали восстанавливать популяцию островитян. Основатель будущего рода, предок всех коренных островитян Доахкаэса Мваненихсед (Doahkaesa Mwanenihsed) был носителем мутации в гене CNGB3, которая ведет к ахроматопсии, когда гены, доставшиеся от обоих родителей, несут такую мутацию. Сам Мваненихсед не болел ахроматопсией, но передал мутированный ген потомству. Напомню, что такой тип наследования называется аутосомно-рецессивным.

Длительное время популяция островитян оставалась изолированной. Иностранцы, посещающие остров во время Второй мировой войны, не смешивались с местным населением из-за больших социокультурных различий. Это принесло островитянам только новые инфекционные болезни.

Примерно через четыре поколения у островитян стали рождаться дети с редким заболеванием, известным как ахроматопсия, поскольку в последующих поколениях ген с мутацией распространился, и из-за изоляции увеличилась вероятность того, что отец и мать будут носителями. Каждый из них имел бы 50 %-ную вероятность передать ген будущему поколению, и это должно было совпасть с тем, что оба гена встретятся в одной оплодотворенной яйцеклетке. Опять повторились принципы аутосомно-рецессивного наследования. Подробно о них вы можете прочитать в главе «Типы наследования».

Ген CNGB3 несет в себе информацию о строении важной структуры, находящейся только в фоторецепторах-колбочках и участвующей в фототрансдукции – превращении энергии света в сигнал, который идет в головной мозг и воспринимается нами как зрение.

Мутации в этом гене вызывают большинство случаев ахроматопсии, характеризующейся полной цветовой слепотой. Так как структура, кодируемая этим геном, важна только для колбочек, палочки никак не вовлекаются в патологический процесс.

Ахроматопсия – аутосомно-рецессивное заболевание. Носитель гена не болеет ею, но если два гена встречаются в одном организме (от двух носителей, отца и матери), то заболевание проявляется. Так как население острова долгое время не имело контактов с окружающим миром и род продолжался путем близкородственных браков между островитянами, количество таких генов становилось все больше. И если браки в первом поколении сразу после тайфуна еще могли быть не близкородственными, то второе и тем более третье поколения себе этого уже позволить не могли (на острове нет никого, кроме родственников). Это и привело к тому, что в четвертом поколении стали рождаться дети с ахроматопсией.

Люди, больные ахроматопсией, совсем не могут различать цвета и лучше видят в сумерках, чем днем. В настоящее время на острове Пингелап проживает около 3000 человек. Количество людей с ахроматопсией стало невероятным, что приняло размер эпидемии и привлекло внимание ученых. По их оценкам, около 10 % всех островитян имеют ахроматопсию, а около 30 % – носители гена заболевания. (Для сравнения: в человеческой популяции ахроматопсия встречается в одном из 50 000 случаев.) Все эти люди могут проследить свою родословную до одного общего прапрадеда – носителя болезни, которая стала проявляться, когда потомки породнились.

Доктор Оливер Сакс написал книгу «Остров цветовой слепоты». В ней он описывает общество, для которого врожденная цветовая слепота – норма и обычное явление.

Что такое цветовая слепота

Ахроматопсия интересна тем, что отсутствует функция колбочек – нет цветового зрения, и всю работу на себя берут палочки. Это помогает лучше понять работу клеток сетчатки. Мы помним, что палочки содержат фотопигмент родопсин, который очень чувствителен к свету; лучше всего они работают при сумеречном освещении, когда свет не очень яркий, едва заметный. На ярком свету происходит полная изомеризация родопсина, и палочки засвечиваются.

Люди с ахроматопсией вынуждены пользоваться палочками постоянно, и даже обычный свет ощущается ими как избыточный. Из-за этого переизбытка света и постоянного возбужденного состояния фоторецепторов сетчатки возникает дневная слепота.

Люди с ахроматопсией постоянно находятся в состоянии темновой адаптации. Чтобы понять их ощущения от яркого света, можно длительное время быть в полной темноте, а потом резко выйти на свет: мы на время потеряем зрение, потому что еще не успеем активировать колбочки и будем вынуждены пользоваться только палочками, но это состояние временное. Для людей с ахроматопсией оно постоянно: «Мир – это пересвеченная пленка». Можно только предполагать, как ощущали себя жители острова Пингелап под постоянно палящим солнцем, когда очки с затемнением им были еще недоступны.

Колбочки участвуют еще и в центральном зрении, то есть благодаря им мы видим мир с максимальной четкостью. Благодаря тому, что в центре нашего поля зрения сосредоточены в основном одни колбочки, мы четко видим лишь маленьким центральным участком поля зрения. Колбочками мы различаем цвета. Палочки расположены на периферии, позволяя нам нечетко видеть боковым зрением, и берут на себя максимум функций при критически низкой освещенности, чтобы пользоваться колбочками. У людей с ахроматопсией низкое зрение – это связано с тем, что палочки не работают.

Существуют две самые частые формы ахроматопсии: палочковый ахроматизм и синий колбочковый монохроматизм.

Палочковый монохроматизм – редкое заболевание, которое встречается у мужчин и женщин. Называется так потому, что у пациентов все зрение осуществляется исключительно при помощи палочек. Палочковый монохроматизм еще называют полной ахроматопсией, потому что колбочки отсутствуют совсем и цветовое зрение при таком состоянии невозможно.

Синий колбочковый монохроматизм – это X-сцепленное рецессивное заболевание, или неполная ахроматопсия. Встречается у одного из 100 000 новорожденных мужчин и, возможно, существует как один случай на 10 миллионов женщин.

Проблемы, связанные с ахроматопсией

Дневная слепота. Считается, что это проблема для людей с ахроматопсией ощущается сильнее всего. Тяжелая непереносимость света серьезно нарушает зрение. Если у обычного человека повышение освещенности улучшает качество зрения, то у пациентов с ахроматопсией происходит наоборот.

Позже мы обсудим, что контроль над потоком света, который проходит в глаз, дает много возможностей для помощи таким людям.

Вторая проблема (если не третья по важности после снижения зрения) – цветовая слепота. Хоть цветовая слепота и дает название заболеванию, это всего лишь вторая проблема. Когда на прием приводят ребенка с ахроматопсией, на цветовую слепоту родители практически не жалуются. Светобоязнь и дневная слепота настолько выражены, что цветовосприятию просто не уделяется внимание.

При синем колбочковом монохроматизме включены только синие колбочки. У пациентов остается возможность видеть синим цветом, но нет красного и зеленого. Конечно же, синий цвет существует только тогда, когда есть и несиние цвета. Если есть только синий, нет никакого цветовосприятия, хотя синие предметы видно лучше. Однако иногда пациенты утверждают, что отличают желтый цвет. Кроме того, благодаря работе синих колбочек острота зрения при таком типе ахроматопсии несколько выше, чем при палочковом монохроматизме.

Третья проблема – сниженная острота зрения.

При ахроматопсии она обеспечивается фоторецепторами-палочками, которые устроены так, что способны нормально функционировать только при очень низком освещении, обычное для них слишком мощное. Люди без ахроматопсии при дневном освещении «включают» колбочки и «отключают» палочки. У пациентов с ахроматопсией такой возможности нет. Если снизить мощность светового потока на сетчатку, например используя светофильтры, можно адаптировать пациента с ахроматопсией к жизни в условиях обычного освещения.

Нистагм – ритмичное непроизвольное движение глаз – наблюдается при многих глазных заболеваниях, которые сопровождаются низким зрением, это один из первых признаков ахроматопсии. Он снижает остроту зрения и возможность сфокусироваться на объекте, зависит от эмоционального фона и уменьшается с возрастом.

Нистагм стоит учитывать при проверке зрения у детей: он мешает сконцентрироваться на объекте, который показывает врач, и острота зрения может быть оценена как слишком низкая, если не проявить терпения и не попросить ребенка не спешить и попытаться сосредоточиться.

В то время как при палочковом монохроматизме часто встречается дальнозоркость, при синем колбочковом монохроматизме – миопия (близорукость). Однако возможны все виды аномалий рефракции[17].

У здоровых людей зрачки сужаются при высокой степени освещенности, чтобы приглушить поток света, попадающего на сетчатку, и расширяются при плохом освещении, чтобы на колбочки попадало больше света, что обеспечивает более острое зрение. При ахроматопсии может быть аномальная реакция зрачков на свет: зрачки сужаются в темноте, что говорит о включившейся аккомодации, и могут расширяться на свету.

Абсолютно все случаи ахроматопсии рецессивные, палочковый монохроматизм – аутосомно-рецессивный, синий колбочковый монохроматизм – сцепленный с X-хромосомой. Гены, связанные с ахроматопсией, – CNGA3, CNGB3, GNAT2, PDE6C, PDE6H.

Включенные палочки

Интересно, что при ахроматопсии засвеченные включенные палочки вызывают ощущение очень яркого света. В то же время при некоторых формах врожденной стационарной ночной слепоты палочки генетически функционально включены и находятся в таком состоянии, как будто они под постоянным воздействием света.

Это происходит из-за мутации в гене RHO, который кодирует родопсин. Фактически наблюдаются два схожих состояния. В одном случае свет возбуждает высокочувствительные палочки, в другом света может и не быть, но включенность палочек обусловлена генетически.

Так вот, при врожденной стационарной ночной слепоте нет ощущения яркого света, что скорее связано с тем, что постоянная импульсация с палочек игнорируется из-за неинформативности. А вот ночная слепота есть. Палочки не работают, и пациенты при сумеречном зрении не видят.

Гены, связанные с синим колбочковым монохроматизмом, – OPN1LW, OPN1MW, LCR (все расположены на Х-хромосоме).

Стоит вернуться к главе «Типы наследования», чтобы вспомнить разницу между ними.

Почему красный?

В настоящее время лечения ахроматопсии не существует. Я думаю, что будущее за генетической терапией, обсудим ее в главе «Будущее офтальмологии». Однако пациентам с ахроматопсией можно существенно помочь: в настоящее время мы активно выписываем светофильтры.

Красный – самый популярный светофильтр у пациентов с палочковым монохроматизмом, но степень затемнения и выраженность красного индивидуальны. При этом заболевании может быть как полная цветовая слепота, так и неполная, с незначительными остатками цветового зрения.

В большинстве случаев пациенты с ахроматопсией используют красные светофильтры, но могут применяться и янтарные, коричневые или серые. При синем колбочковом монохроматизме часто пользуются пурпурным фильтром, чтобы пропускать только небольшую часть синего спектра.

Красный цвет переносит меньше энергии (примерно 1/15 от энергии синего цвета) и не может засветить сетчатку глаза. Если использовать красный фильтр, снизится уровень ослепления палочек, что позволит им функционировать.

Даже в идеальных условиях сумерек пациенты с ахроматопсией всегда видят значительно хуже остальных людей. Тем не менее это некритичное снижение зрения, отчаиваться повода нет.

День сделать ночью

Чтобы люди с ахроматопсией могли видеть, необходимо снизить освещенность до сумеречного уровня, чтобы палочки могли работать.

Очень часто ночные сцены в фильмах снимают днем, и потом создают ощущение сумерек при помощи светофильтров, так должны поступить и мы, чтобы облегчить жизнь людям с ахроматопсией. Любой светофильтр снижает количество света, достигающего сетчатки, и может помочь таким пациентам видеть лучше. Но не все фильтры одинаково эффективны.

Когда я в детстве увлекался фотографией, многие фотографы того времени самостоятельно печатали снимки при помощи фотоувеличителя. Мы просто проецировали изображение с черно-белой пленки на фотобумагу, после чего она засвечивалась, и ее клали в проявитель, где постепенно возникало видимое черно-белое изображение. Как же мы тогда перекладывали фотобумагу в лоток с проявителем? Как видели, что проявляется изображение? Ведь если включить свет, бумага засветится, и фотография будет полностью черной. Мы делали это при свете красного фонаря. Красный свет несет меньше энергии, и фотобумага не настолько чувствительна к нему, что позволяло некоторое время манипулировать с ней и оценивать степень готовности фотографии визуально. Сейчас процесс намного проще, мы пользуемся принтерами, но еще до середины 1990-х годов фотографии печатались в основном именно так.

Много – не мало. Сколько цветов вы различаете?

Вы знаете, что ходят такие шутки – мужчины видят меньше цветов, чем женщины. На самом деле суть в том, что большинство мужчин знают меньше названий цветов. Например, когда я только начал писать эту главу, вычитал в Интернете, что есть такие цвета, как карминовый и миртовый. Мне же в жизни нет необходимости знать названия всех цветов, которые существуют. Однако в каждой шутке есть лишь доля шутки, некоторые женщины и правда видят больше цветов. Насколько? Примерно на десяток миллионов цветов.

Существуют ученые, ставящие себе задачи выявления людей, которые видят больше цветов, чем все остальные. Такие люди действительно есть. Возможно, это вы, а может, ваш друг. Но вот понять это будет очень сложно. Без сложных тестов невозможно определить, так же мы видим цвета, как наш друг, или как-то иначе.

Ученые уже нашли женщину, которая видит на миллионы цветов больше, чем среднестатистический человек.

Доктор Габриель Джордан, нейробиолог из Ньюкасла, заявила, что обнаружила у одной женщины тетрахроматическое зрение, то есть она способна видеть больше цветов, чем обычные люди, которым доступно около миллиона различных оттенков одного цвета. То есть когда большинство людей имеют три типа колбочек, генерирующих нервный сигнал при воздействии света определенной длины волны, у тетрахроматов их целых четыре типа.

Долгое время ученые считали, что есть люди с четырьмя типами колбочек, которые могут видеть больше цветов, чем большинство из нас. Тетрахроматы видят сотни миллионов цветов. С точки зрения таких людей, цвета имеют намного больше оттенков, чем воспринимают трихроматы; и поскольку большинство людей все же имеют трихроматическое зрение, эти оттенки не получили названия.

Исследователи потратили десятки лет на поиски людей, наделенных тетрахроматическим, или суперзрением.

Джордан и ее команда нашли много людей с четырьмя типами колбочек, но лишь один из них прошел тест на тетрахроматическое зрение. Эта женщина работает доктором на севере Англии. Джордан и ее коллеги уверены, что есть и другие люди с такой особенностью.

Чтобы обнаружить первого человека с достоверно подтвержденным тетрахроматическим зрением, было потрачено 20 лет. Однако вопрос, почему есть люди с четырьмя типами колбочек, но не все из них наделены тетрахроматическим зрением, пока остается открытым. Поиски были не случайны. Существование таких людей было очевидно на том основании, что есть люди, несущие гены цветоаномалий, которые могут не проявляться при наличии нормальной копии гена, но способны дать начало появлению еще одного типа колбочек.

Историческая справка

Первые доказательства того, что люди с тетрахроматическим зрением могут существовать, появились в 1948 году.

Датский ученный Врис исследовал мужчину с цветовой слепотой, у которого были два типа нормальных колбочек и мутантный тип колбочек с более низкой чувствительностью к зеленому и красному цветам, таким людям затруднительно их различать.

Врис обследовал дочь одного из мужчин с цветовой слепотой и обнаружил, что она способна воспринимать больше оттенков красного, чем обычные люди. Он обнаружил также, что хоть сам мужчина и имел только два типа нормальных колбочек и один мутантный, его мать и дочь обладали тремя типами нормальных колбочек и одним мутантным – итого четырьмя типами колбочек.

Врис верил, что дополнительный тип колбочек – причина того, что эти женщины могли различать больше оттенков красного, но не имел возможности более глубоко исследовать этот феномен.

Джон Моллон из Кембриджского университета начал интересоваться тетрахроматическим зрением в 1980 году. Джордан, работавшая с Моллоном, сделала предположение: если существует дихроматическое зрение, должно быть и тетрахроматическое. Она предположила, что большое количество женщин – тетрахроматы.

Ученые обследовали матерей мужчин с цветовой слепотой, которые имели три типа нормальных колбочек и один тип мутантных, и проверили их способность различать большее количество оттенков. Но эти женщины не показали каких-то выдающихся возможностей. Это привело к заключению, что четвертый тип мутантных колбочек у них просто не проявляет активности.

Джордан разработала более совершенный метод для выявления тетрахроматического зрения. Отобрав 25 женщин с четырьмя типами колбочек, она протестировала их на наличие тетрахроматического зрения. Позже она выявила одну женщину, полностью прошедшую тест.

Интересно, как люди с тетрахроматическим зрением видят окружающий мир? Тетрахроматы не могут объяснить это людям с трихроматическим зрением, так же, как обычные люди не могут описать дихроматам, как воспринимается красный цвет.

Понятно, что история с обезьянами не закончилась. Гипотезы формирования трихроматического зрения у приматов, которые мы недавно описывали, будут еще дополняться. Оказывается, перетасовка генов опсинов на X-хромосоме сейчас продолжается на глазах ученых, наблюдающих эти процессы. Очевидно, мы узнаем еще много чего интересного о нашем цветовом зрении.

В детстве трава зеленее

Слышали такое выражение? Оно связано с тем, что восприятие цвета действительно меняется с возрастом. Со временем хрусталик становится оптически плотнее и приобретает свойства желтого светофильтра, что снижает возможность воспринимать оттенки синего цвета. Это связано с изменением цвета в белке кристаллине, но молекулярные механизмы процесса остаются неясными.

Так как желтение хрусталика происходит постепенно, большинство не чувствует этих изменений, однако они могут ощущаться сразу после хирургии катаракты, когда врачи удаляют непрозрачный хрусталик и ставят искусственную линзу.

Острота зрения. Рефракция

Чтобы легко обсуждать многие вещи, описанные в этой книге, необходимо дать определение термину «острота зрения». Это основное понятие, используемое офтальмологами для оценки зрительных функций. Острота зрения – это разрешающая способность глаза. Нормальной остротой зрения принято считать такую его разрешающую способность, при которой он может различить две разные точки при угловом расстоянии между ними в одну угловую минуту (градус – это 60 угловых минут).

Картинки, знаки и буквы, с помощью которых офтальмологи проверяют остроту зрения, называются оптотипами. Они сделаны так, чтобы человек легко их узнавал, и каждая их часть соответствовала определенной разрешающей способности глаза. Ранее оптотипы печатали на бумаге и проверяли с определенного расстояния. Сейчас они проецируются проекторами на стену или показываются на высококонтрастных мониторах.

Бумажные таблицы – самые неудобные: для работы с ними нужно соблюдать определенное расстояние, а следовательно, кабинет офтальмолога должен быть соответствующего размера. Обычно бумажные таблицы помещают в деревянный ящик со стеклянными бортами и лампой. Такой ящик называется аппаратом Ротта. Он обеспечивает хорошо подсвеченный ровный фон. Офтальмолог показывает указкой отдельные оптотипы и просит их назвать.

Проекторы и экраны удобны тем, что позволяют не зависеть от размеров кабинета и могут применяться практически в любом помещении. Переключая пультом, врач может показывать по одному оптотипу, что исключает запоминание.

Острота зрения – основной параметр, когда речь идет о проблемах со зрением. Однако сами методики определения и получаемые значения всегда имеют большую долю условности.

На разных оптотипах могут быть разные показания остроты зрения. Детям предлагаются картинки, но понятны они не всем. Доктор выбирает те, которые ребенок может распознать. Обычно в наборе есть простые и сложные картинки. Детям трудно сосредоточиться и долго удерживать внимание. К тому же они совсем не заинтересованы в результате. Нужно быть мягким и настойчивым. Иногда из-за того, что доктор не уделил должного внимания невнимательности ребенка, определяется заниженная острота зрения.

Для ребенка, особенно маленького, определение остроты зрения – скучный труд. Сначала стоит показать ему картинки, которые он будет называть. Возможно, даже с близкого расстояния. Не следует говорить ребенку: «Если не видишь, так и скажи». Это приведет к тому, что он будет так говорить даже тогда, когда незначительное напряжение позволило бы разглядеть картинку. У маленьких детей проверка остроты зрения ограничена по времени просто из-за того, что теряется внимание.

Детей дошкольного возраста не следует контролировать по буквам, даже если они умеют читать: выбор из большого количества вероятных оптотипов более сложен. Конечно, букв в наборе не 32, а около шести, но ребенок не знает этого. Родители же зачастую хотят похвастать, что ребенок знает буквы, а это усложняет прием. Если ребенок хорошо ответил по картинкам и еще согласен нас терпеть, можно перейти к другим оптотипам. Однако необходимо помнить, что маленький ребенок в любой момент может просто отказаться отвечать по картинкам, а это важное исследование для офтальмолога.

Пользуясь случаем, прошу родителей приводить детей к офтальмологам отдохнувшими и в хорошем настроении. Постарайтесь максимально позитивно настроить ребенка.

Острота зрения обозначается дробями. В России, странах бывшего СССР и некоторых других – десятичными, на Западе – простыми.

1,0 – нормальная острота зрения. Это условно принятая величина. В большинстве случаев острота зрения у здоровых людей выше 1,0 и может быть 1,2, 1,5 и нередко 2,0. Кабинеты, в которых я работаю, ограничены определением остроты зрения 2,0.

Как мы говорили, острота зрения – относительная величина, она определяется при максимальном контрасте черных оптотипов на белом фоне. Оптотипы имеют разную степень узнаваемости: важно расстояние между ними в строке – слишком близко расположенные различаются хуже.

Простые оптотипы и ограниченный выбор вариантов ведут к более высоким показаниям остроты зрения.

Острота зрения отражает работу центральной части сетчатки, проводящих путей и зрительной коры. Это длинный путь от фоторецепторов до затылочной доли головного мозга. При любом поражении на этом пути острота зрения может снижаться.

Поскольку время осмотра ребенка ограниченно, офтальмологи начинают проверку остроты зрения с полной коррекцией и могут полностью игнорировать ее без таковой. Это важный момент: родители детей часто беспокоятся, почему доктор проверил зрение с коррекцией и не пытается это делать без нее.

При аномалиях оптики только острота зрения с коррекцией помогает убедиться, что центральная часть сетчатки и проводящие пути функционируют нормально; без коррекции она, скорее всего, заведомо хуже и ее значения не дают никакой полезной информации.

Так, у пациента с близорукостью –3,0 четкое зрение возможно (см. главу о близорукости) на расстоянии 1 метр / 3 = 33,333 см, то есть всё, что дальше, проецируется на сетчатку нечетко. Какой смысл проверять остроту зрения без коррекции? Повторюсь, важна каждая секунда терпения ребенка, особенно у маленьких детей, иначе придется выполнить лишь самые необходимые тесты.

Если острота зрения ниже 0,2, такое состояние принято называть слабовидением.

Оптика глаза

Как мы помним, по строению глаз человека похож на фотокамеру: передняя линза – роговица, вторая – хрусталик. С одной стороны роговица открыта внешней среде, с другой она находится в контакте с внутриглазной жидкостью, называемой водянистой влагой. Этот факт может быть важным при рассмотрении оптических свойств глаза. Так, коэффициент преломления зависит от того, с какими средами он контактирует. Например, при нырянии в воду с открытыми глазами оптическая сила глаза значительно отличается от таковой на суше, поскольку роговица контактирует не с воздухом, а с водой. Это важно учитывать людям с разными оптическими аномалиями при обсуждении ныряния с открытыми глазами (в этом случае рефракция глаза сдвигается в сторону дальнозоркости). Роговица называется так, потому что она жесткая и очень прочная, практически не меняет своей преломляющей силы. Это особенность млекопитающих. У птиц роговица может ее менять, и они используют ее в процессе аккомодации.

Вторая линза, хрусталик, способна менять форму, увеличивая оптическую силу глаза. Сокращение цилиарной мышцы ведет к тому, что ослабевают цинновы связки, крепящиеся к краям хрусталика, который увеличивает кривизну благодаря своим эластическим свойствам.

С возрастом хрусталик теряет эластичность, его способность менять форму снижается. Из-за этого многие люди испытывают проблемы со зрением на близком расстоянии и после 40 лет покупают очки для чтения.

Такое состояние называют пресбиопией, или старческой дальнозоркостью. Поскольку 40 лет – вовсе не старость, название это почти не используется. К дальнозоркости оно отношения не имеет, иногда называется непрофессионалами так, потому что для коррекции используются очки со знаком плюс.

Почему-то многие считают, что с возрастом проходит близорукость. Это не совсем так. Из-за возрастных изменений в хрусталике степень близорукости может повыситься, но крайне незначительно.

Хрусталик округляется и уплощается, меняя рефракцию глаза, чтобы он мог фокусироваться на разные расстояния. В этом и состоит суть процесса, называемого специалистами аккомодацией. Мы вернемся к этому вопросу, когда будем обсуждать офтальмологические заблуждения, в частности представления об аккомодации сторонников метода Бейтса.

Офтальмологи принимают за рефракцию глаза ту, которая присутствует при взгляде вдаль (это нестрогая константа, может меняться в течение дня, особенно у молодых людей).

Суммарно рефракция глаза составляет около 60 дптр (у разных людей разная). Однако офтальмологи нормальную рефракцию принимают за ноль, а цифрами с плюсом или минусом обозначают ту рефракцию, которая корригируется линзами соответствующих диоптрий (выводится в ноль).

Если для исправления оптики глаза нужна рассеивающая линза в три диоптрии, это говорит о миопии в минус три диоптрии, а если собирающая – о гиперметропии. Близорукость, дальнозоркость и астигматизм объединяют понятием «аномалия рефракции».

Чем еще отличается близорукость от дальнозоркости?

Сами эти слова описывают состояние преломляющей силы глаза. Роговица и хрусталик – основные линзы глаза, составляющие всю его оптическую систему. Если они фокусируют предмет, находящийся на бесконечно далеком расстоянии, без мышечного напряжения, такое состояние оптики глаза называют эмметропией (посередине между дальнозоркостью и близорукостью).

Под эмметропией офтальмологи обозначили бы рефракцию, равную 0,00, то есть такую, которая без напряжения аккомодации идеально фокусирует окружающий мир на глазное дно, состоящее из фоторецепторных клеток. Фактически эмметропия – понятие условное. Мы помним, что в глазу одна линза находится в движении, следовательно, рефракция не имеет постоянного четкого значения. Офтальмологи под эмметропией чаще понимают рефракцию, близкую к 0,00, или слабую дальнозоркость.

Для оптики глаза предметы отличаются только тем, как в глаз заходят отраженные от них лучи света: если параллельно друг другу, то они определенно идут от удаленного объекта, и если оптика глаза в состоянии эмметропии, она фокусирует эти лучи точно на сетчатку глаза. Человек при этом видит четко все, что расположено вдалеке.

При миопии (близорукости) оптика глаза преломляет входящие лучи сильнее, чем нужно, при этом параллельные друг другу лучи не фокусируются на сетчатке, а расходящиеся могут сфокусироваться на нее. Это слишком сильная оптика, близорукая. Чтобы сфокусировать на сетчатку находящееся вдали изображение, отраженные лучи от которого почти параллельны, необходима рассеивающая минусовая линза.

Близорукость обозначают знаком минус, то есть знаком линзы, исправляющей близорукость. Соответственно оптика глаза при близорукости будет со знаком плюс. Однако принято говорить об оптике глаза, упоминая значение линзы, которая ее компенсирует.

При миопии возможна фокусировка только расходящихся лучей. Следовательно, при миопии хорошо видно только те предметы, которые находятся близко, ведь только от них лучи расходятся в разные стороны.

При дальнозоркости оптика глаза слабая и не может сфокусировать на сетчатку никакие лучи. Поэтому

Рис. 24. При дальнозоркости глазное яблоко короче, а при близорукости длиннее. Видно, что при близорукости свет фокусируется чуть кпереди от сетчатки, а при дальнозоркости – позади предметы, находящиеся вблизи, видно с большим напряжением. Однако находящиеся вдали предметы тоже могут фокусироваться в глазу с трудом, если дальнозоркость настолько выражена, что оптика глаза не может собрать параллельные лучи, отраженные от далеких объектов. Дальнозоркость – это оптика, при которой может постоянно отсутствовать четкая проекция предметов на сетчатке, как при взгляде вдаль, так и вблизь. Именно поэтому при дальнозоркости есть риск того, что постоянная нечеткая проекция окружающего мира на сетчатку станет причиной задержки развития зрения в детском возрасте. Такое состояние называют амблиопией, или ленивым глазом.

Распространено мнение, что дальнозоркость означает хорошее зрение. Фактически же дальнозоркость – лишь антоним слова «близорукость». Если при близорукости все расположенное близко видно без напряжения, то при дальнозоркости для близи придется напрячь мышцы хрусталика. Для дали тоже, но чуть меньше.

Словарь синонимов

Миопия = близорукость

Гиперметропия = дальнозоркость

Рефракция = преломляющая сила = оптическая сила

Расстояния

О каких расстояниях идет речь? Глаз подобен фотокамере-мыльнице, популярной в 90-е годы прошлого века. Камера фокусирует на пленку все, что расположено вдали: отраженный свет состоит из параллельных лучей. Даль для такой камеры – это все, что дальше полутора метров, поэтому все снимки получались четкими. Эта аналогия вполне приемлема для человеческого глаза. Расстояние больше двух метров можно рассматривать как даль.

Бифокальные очки

Бифокальные очки – очки, которые имеют в каждом своем стекле две оптические зоны. Их используют очень широко в оптометрии и выписывают как взрослым, так и детям, они были изобретены американским президентом Бенджамином Франклином. Именно изобретение бифокальных очков сделало его особо почитаемым в офтальмологической среде.

Идея бифокальных очков пришла Франклину в голову после того, как он заказал обычные очки, работая послом Соединенных Штатов во Франции (1779 г.). Очки были сломаны, и у Франклина появилась возможность экспериментировать. Историки отмечают, что он заказал у оптика очки по завышенной цене – возможно, это указывает на то, что они были не обычные монофокальные. Однако это всего лишь гипотеза историков.

У Франклина были дальнозоркость и пресбиопия. Люди с такой рефракцией обычно пользуются либо двумя парами очков, либо очками с прогрессивными линзами, либо бифокальными.

В дальнейшем на основе изобретения Франклина ученые придумали много полезных решений в оптометрии. Франклин был гением и придумал очень много других полезных вещей. Считается, что ему принадлежит изобретение гибкого катетера для мочеиспускательного канала, что сделало его любимцем урологов.

На смену бифокальным приходят прогрессивные очки, меняющие свою преломляющую силу по мере того, как глаза сдвигаются к носу при взгляде вблизь или зрительные оси становятся параллельны друг другу при взгляде вдаль. Для этого в оптику таких очковых линз встроен специальный коридор, в котором происходят эти изменения.

При подборе к таким очкам предъявляются более строгие требования: желательно размечать установку линз непосредственно в выбранной пациентом оправе, чтобы глаза входили в этот коридор.

Изменение рефракции в течение жизни человека

Рефракция глаза – не постоянная величина и в течение жизни может меняться. Дети рождаются с дальнозоркостью. После появления на свет развитие глаз продолжается, и дальнозоркость уменьшается. Сетчатка, на которую оптика глаз должна фокусировать изображение, постепенно удаляется от роговицы и хрусталика. Это проявляется в том, что рефракция движется в сторону близорукости. То есть если у ребенка дальнозоркость, она снижается, если близорукость – растет.

И дальнозоркость, и близорукость могут быть проблемой, если они значительны. Слишком высокая дальнозоркость может быть причиной ленивого глаза, избыточного напряжения аккомодации.

Рост близорукости – одна из основных тем детской офтальмологии, с ней врачи сталкиваются чаще всего.

Развитие глаз и связанное с ним активное изменение рефракции идет до совершеннолетия. Средний возраст остановки роста глаз – 14 лет. В это время у большинства детей не ожидается дальнейшего роста близорукости (в иной связи время завершения роста глаз родителей не волнует). Бывает, что активное развитие глаз продолжается и после 20 лет.

Ленивое зрение

Когда мы говорили об эволюции зрения, обсуждали, что именно можно считать зрением.

Когда мы что-то видим, то осознаем это: например, видя стол, осознаем, что такое стол, сравниваем с ранее виденными столами, и даже если стол очень странного дизайна, мы поймем, что это стол. Мы можем решить, красив стол или нет, подходит ли нам, обдумать увиденное.

Когда что-то естественно, это не замечается. Сознание – вот что отличает зрение человека и животных. Большинство живых существ не осознают того, что они видят. Вы знаете, что лягушка ловит все, что движется. Поэтому дети могут привязать к веревке на палке что угодно, съедобное или несъедобное, и дразнить ее. Почему? Потому что за миллионы лет эволюции все, что двигалось в воздухе перед глазами мелкого размера, было съедобным комаром или другим насекомым. Нет смысла усложнять систему. Любое усложнение дороже в обслуживании. Мы помним, что естественный отбор не оставляет ничего лишнего, на всякий случай, если вдруг когда-то перед лягушкой будет летать не комар или муха, а что-то третье, чего есть нельзя. У лягушки нет сознания, увиденная информация сразу запускает программу, действующую по алгоритму «увидел комара – сократи мышцы так, чтобы получился захват». Этот алгоритм не меняется и не осознается лягушкой. Она не видит комара так, как мы, не обдумывает захват, у нее даже нет выбора не есть его (лишних комаров никогда не было, иначе это привело бы к росту численности лягушек, что сократило бы количество комаров).

Мы обладаем сознанием, позволяющим анализировать увиденное. Для нас это настолько естественно, что даже не осознается, что может быть как-то иначе. Мы и представить себе не можем, как может быть, что на основании увиденного мы произведем какое-то действие, не обдумывая его. Например, увидев еду, неосознанно ее оплатим и съедим. Мы не лягушки. Но некоторые рефлексы, связанные с увиденным, у нас врожденные – например, многие люди и другие млекопитающие имеют врожденную боязнь пауков и змей. Животные, никогда не вступавшие со змеями в контакт, боятся их.

Зрительная система человека устроена сложнее, чем у лягушки. Человеческое зрение не развито при рождении, а проходит через сознание, и потому мы, возможно, нуждаемся в том, чтобы оно развивалось, чтобы научиться видеть окружающий мир.

Наше зрение действительно еще развивается после рождения. Если бы все свойства зрения были врожденными, вероятно, мы не смогли бы научиться буквам, схемам, новым образам. Своеобразной платой за совершенство выступают ошибки развития.

Ребенок рождается с низкой остротой зрения, впоследствии она возрастает, и зрительная система созревает.

Восприятие яркости и цвета не меняется и не совершенствуется, эти процессы развиты с рождения. А вот острота зрения меняется, подстраиваясь под разрешение картинки, которое оптика глаза проецирует на сетчатку. Такая проекция способствует тому, чтобы разрешающая способность глаза становилась выше. Фактически через постоянный опыт происходит обучение зрительной системы все более четкому видению.

Амблиопия (ленивый глаз)

Оптическая система глаза проецирует окружающий мир на сетчатку, где зрительная информация превращается в цифровой сигнал, поступающий в кору головного мозга по проводящим путям. Происходит развитие зрительного анализатора, и острота зрения быстро повышается с максимальным ростом на первом году жизни.

Однако существуют ситуации, при которых нет четкой проекции видимого изображения на сетчатку глаза. В таком случае развитие зрительного анализатора невозможно или происходит не до конца – это состояние называют амблиопией. Острота зрения может повышаться только в тех пределах, в которых возможна четкость проецируемого на сетчатку видимого изображения. Это бывает обусловлено аномалией оптики или нарушением прозрачности сред. Период, в течение которого в норме происходит развитие зрительного анализатора, называют сенситивным (чувствительным).

Амблиопия – одно из самых частых заболеваний в детском возрасте. Как правило, оно связано с избыточной дальнозоркостью или астигматизмом. В редких случаях – с нарушением прозрачности сред глаза, например помутнением хрусталика.

Самым удачным определением амблиопии я считаю такое: это оптически некорректируемое снижение остроты зрения, возникшее в результате отсутствия зрительного опыта в сенситивный период развития.

То есть это ситуация, когда зрительный анализатор просто «не научился» видеть хорошо из-за того, что в нужное время не было четкой картинки окружающего мира на сетчатке глаза.

Единственным методом лечения амблиопии может быть обучение зрительного анализатора видеть. Высокая острота зрения достигается тем, что на глазном дне длительное время присутствует проекция окружающего мира во всех мелких деталях и с идеальной четкостью. Вспомогательным методом может стать создание избыточной нагрузки на глаз. Обычно это достигается заклейкой второго глаза.

Причины амблиопии

Самая частая причина амблиопии – неправильная оптика глаза. Подобно оптике фотоаппарата, она должна четко проецировать окружающий мир на сетчатку глаза. Примерно у 2 % людей оптика глаза не совсем правильная и фокусирует мир на глазное дно нечетко. В такой ситуации в кору головного мозга поступает информация с нечеткого изображения, и острота зрения поднимается лишь до того уровня нечеткости, который позволяет эта неправильная оптика. Поскольку проблема состоит в неправильном преломлении света в оптике глаза, такую амблиопию называют рефракционной. Обычно она не приводит к сильному снижению остроты зрения.

Рефракционную амблиопию достаточно легко выявить. У детей, которые еще не умеют говорить, окулист может проверить рефракцию глаза. У остальных детей остроту зрения можно легко протестировать по таблице и выявить возможное ее снижение.

Определение рефракции в возрасте около года позволяет вовремя выявить большинство случаев рискованных состояний.

Если амблиопия диагностирована рано, она легко поддается лечению. Если выявляются астигматизм или дальнозоркость, окулист выписывает очки – они исправляют неправильную оптику глаза, и зрение начинает развиваться. В большинстве случаев, чтобы полностью справиться с заболеванием, очков вполне достаточно.

В случаях, когда один глаз по остроте зрения сильно отличается от другого, назначают окклюзию (заклейку) лучше видящего глаза. Это дает возможность увеличить поток зрительной информации на отстающий глаз, что позволяет быстрее справиться с амблиопией.

В лечении рефракционной амблиопии можно использовать и контактные линзы.

Значительно сложнее вылечить амблиопию у детей старшего возраста, и не всегда удается достичь хороших результатов. При впервые выявленной амблиопии и своевременно начатом лечении в большинстве случаев отмечается выраженная положительная динамика. Даже если возраст кажется врачу бесперспективным, всегда нужно пытаться лечить это заболевание.

Амблиопия может возникать, когда преломляющая сила глаз слишком разная: один глаз может не фокусировать изображение на сетчатке, так как напряжение фокусировки другого глаза может вести к недостаточной аккомодации на этом глазу. Как следствие, четкое изображение на сетчатку этого глаза практически никогда не фокусируется, происходит задержка развития зрительных функций на этом глазу – амблиопия.

Амблиопия всех видов может провоцировать развитие косоглазия, что усложняет лечение. Но и само косоглазие может быть причиной амблиопии. При косоглазии на сетчатку одного из глаз не попадает изображение, на котором фиксируется взгляд, и такой глаз не участвует в полноценном акте зрения. Этот тип амблиопии называют дисбинокулярным.

Самый тяжелый вид амблиопии – обскурационный. Он возникает из-за того, что оптика глаза не прозрачна и не пропускает свет к сетчатке глаза. Как правило, эта патология исправляется хирургически.

Все виды амблиопии объединяет одинаковый механизм развития: нет четкого изображения на сетчатке амблиопичного глаза, и из-за отсутствия чувствительного опыта зрение не развивается.

Основа лечения любого вида амблиопии – создание условий, при которых на сетчатке создается четкая картинка окружающего мира. Назначается очковая, контактная коррекция, а при непрозрачности оптических сред показано хирургическое вмешательство.

По сути, амблиопия – это проблема развития в процессе обучения зрительной системы.

Скорее всего, все процессы обучения зрительной системы происходят на уровне зрительной коры головного мозга и, возможно, латерального коленчатого ядра таламуса. Сам глаз только преобразует изображение в цифровой сигнал, а все процессы проходят в центральной нервной системе.

Амблиопия бывает и у животных, однако у человека отмечается достаточно длительный по сравнению с другими млекопитающими сенситивный период.

Сегодня среди множества методов лечения общепринятыми можно признать оптическую коррекцию, окклюзию (заклейку лучше видящего глаза) со зрительной нагрузкой на амблиопичный глаз. Большое внимание уделяется 3D-технологиям и виртуальной реальности (VR). Игры с использованием 3D позволяют задействовать в игровой ситуации оба глаза, когда правильно сориентироваться в игре возможно только при активном зрении обоими глазами и участии объемного зрения. Технологии VR дают хорошие результаты и у детей старшего возраста.

Хорошо быть невидимкой?

Хорошо быть Человеком-невидимкой? Наверняка вы читали роман Герберта Уэллса о молодом ученом Гриффине, который был альбиносом. При помощи специальной машины это позволило ему воздействовать на организм и стать совершенно невидимым.

Мне очень нравилась эта идея. До того момента, пока я, еще не будучи школьником, не столкнулся с совершенно справедливым вопросом, который задал в своей книге «Занимательная физика» советский популяризатор науки Яков Перельман: «А может ли Человек-невидимка видеть?»

Оказывается, нет. Ведь чтобы видеть, нужно что-то улавливающее свет, а следовательно, это что-то должно стать непрозрачным. Более того, для хорошего зрения оно должно быть близко к черному.

Под черным мы понимаем цвет, который не отражает никакие лучи из видимого спектра света. Поскольку невидимка был человеком, видимый спектр у него такой же, как у нас, и, если бы рецепторное поле его глаз отражало какой-то видимый нами цвет, он не был бы виден ему самому. Это очень упрощенно, так как условное рецепторное поле может поглощать лишь часть света. Однако хотя черный цвет должен быть идеальным экраном для любого зрительного анализатора, чернота эта условна и ограничивается лишь видимым спектром.

Чернее черного

Черный – понятие относительное. Цвет, при котором отсутствует видимое отраженное излучение.

Видимый спектр у разных организмов разный, поэтому в физиологическом смысле понятие «черный» весьма относительное. Черный был бы идеальным экраном для фоторецепторов, поскольку свет, проходящий через их слой, не должен отражаться от тканей, находящихся за ним.

Но отражение вне видимого диапазона никак не влияло бы на работу такого фоторецептора.

Существует понятие «абсолютно черное тело» – оно не отражает вообще никакого излучения. Чаще рассматривается как условная модель. Абсолютно черного тела в природе не существует.

Самое черное из всех известных веществ – vantablack (от англ. vertically aligned nanotube arrays – вертикально ориентированные массивы нанотрубок) – субстанция из углеродныхнанотрубок. Поглощает 99,965 % падающего на него излучения: видимого света, микроволн и радиоволн.

Как вы поняли, мы будем говорить о том, зачем живым организмам важно быть видимыми и иметь цвет. Поговорим о том, что происходит с организмом, когда он лишается цвета (в примерах с альбинизмом – пигмента меланина).

Меланин и его производные – основной пигмент, придающий окраску коже, глазам и волосам.

Каждый раз, изучая какое-то необычное состояние организма, мы лучше понимаем, как устроены. Многие заболевания можно рассматривать как модель организма – что-то убирая из нее, можно понять, для чего это было нужно. Я благодарен своим пациентам с альбинизмом, аниридией, ахроматопсией и другими редкими состояниями. Ведь без них мой интерес не был бы подкреплен практическим смыслом, не было бы тех знаний, которые есть, и теперь я могу ими поделиться.

Мы никогда не изучаем только одну патологию, всегда открываем новые факты, которые помогают понять, как все работает или не работает и при других болезнях тоже. Это двигает нас вперед и дает новые возможности для решения проблем. Помните, в главе про рефракцию мы обсуждали, что изменения на периферии сетчатки в молодом возрасте могут провоцировать рост миопии, в то же время врожденные изменения в центральной части к ней не ведут. Такие наблюдения позволяют лучше понять, как формируется рефракция человеческого глаза. Гипотезы переходят в теории и, развиваясь, постепенно переходят в практику. Также в главе «Цветовое зрение» мы обсудили, что происходит, если вдруг при ахроматопсии колбочки не функционируют нормально.

Чем больше мы знаем, тем ближе к победе над заболеваниями. Я уверен, что даже самые нейтральные и на первый взгляд не применимые на практике знания в будущем станут оружием в борьбе с болезнями.

Открытие того, что инфекционные заболевания вызываются микробами, отделяют от изобретения первых антибиотиков десятилетия, но второе было бы невозможно без первого.

Так ли важен цвет?

Какого мы цвета? Все разные. Почему имеем цвет? Его обусловливает пигмент, придающий оттенок коже, глазам, волосам.

Цвет настолько важен, что иногда мы называем людей именно по его признаку, например «блондинка с голубыми глазами» или «брюнет». Заметили?

Цвет кожи и волос зависит от количества пигмента в них. А цвет глаз – от количества пигмента, структуры радужки и того, сколько в ней кровеносных сосудов. Пигмент есть и в составе эпителия, располагающегося позади сетчатки.

Когда количество пигмента ниже необходимого, возникает альбинизм. В более широком смысле я назвал бы альбинизмом группу состояний со схожими проявлениями, которые возникают из-за дефектов в обмене меланина, выражающимися в его функциональном дефиците.

Почему так? Потому что при альбинизме не всегда бывает недостаток синтеза, может быть и недостаток хранения, например при синдроме Германского – Пудлака. Симптомами альбинизма могут выражаться дефекты в путях обмена, которые проявляются без дефицита пигмента.

Зачем нужен меланин в глазу

Синтез меланина важен для формирования и развития зрения. Скорее всего, реакции, ведущие к нормальной пигментации, каким-то образом захватывают другие реакции, нужные для нормального развития зрительного анализатора у человека.

Для всех типов альбинизма свойственны специфические глазные симптомы, которые мы и будем обсуждать дальше. Альбинизм интересен характерными изменениями зрительного анализатора и как пример непрогрессирующего наследственного заболевания глаз.

При обсуждении вспомним некоторые нормальные черты устройства человеческого глаза – в частности, центральную часть сетчатки. Помимо этого, обсудим такие связанные симптомы, как нистагм и гипоплазия фовеолы, характерные для PAX6-аниридии, упоминавшейся в начале книги.

Гипоплазия фовеолы и нистагм

Центральная часть сетчатки обладает высокой разрешающей способностью. Она называется фовеолой и представляет собой углубление внутренней поверхности сетчатки диаметром около 1,5 мм. Фовеола содержит только колбочки и обладает максимальной разрешающей способностью. Часть сетчатки вокруг фовеолы называют фовеолярной аваскулярной (то есть без кровеносных сосудов) зоной. Отсутствие кровеносных сосудов связано с необходимостью максимально освободить место для того, чтобы высокая плотность колбочек обеспечивала высокую разрешающую способность. Особенность этой зоны сетчатки позволяет свету достигать фоторецепторов без дисперсии и потерь.

Фовеолярная ямка окружена кромкой, в которой расположены нейроны, сдвинутые из области фовеолы на периферию и образующие ее. Это самая толстая часть сетчатки.

Недоразвитие центральной части называют гипоплазией фовеолы. Это частый признак альбинизма, но бывает и при PAX6-аниридии, других состояниях и может быть изолированной, без каких-либо глазных проявлений.

Рис. 25. Макула, фовеа, фовеола

Острота зрения при гипоплазии центральной части сетчатки ниже нормальной – чаще ниже 0,2. Гипоплазия фовеолы сочетается с нистагмом – ритмичными непроизвольными колебательными движениями глаз. Нистагм может быть признаком многих состояний, это не специфический признак. При заболеваниях глаз нистагм коррелирует с остротой зрения, его максимальная выраженность чаще в первые месяцы после рождения, затем снижается. Нистагм может зависеть от эмоционального состояния. При выраженном нистагме проверка остроты зрения может затрудняться тем, что пациенту сложно сфокусировать зрение на оптотипе, который показывает врач. Нистагм может усиливаться, если пациенту закрыть один глаз, это делает проверку остроты зрения менее объективной.

Внешне гипоплазия фовеолы проявляется отсутствием углубления, макулярной пигментацией и аваскулярной зоной. При осмотре глазного дна фовеолярная зона либо не отделяется от остальной сетчатки, либо выражена незначительно.

У многих животных фовеола отсутствует или может значительно структурно отличаться от таковой у человека. Такая же фовеола, как у человека, среди млекопитающих встречается только у некоторых приматов, что ограничивает интерпретацию данных, полученных в эксперименте на животных. У собак и кошек центр имеет линейную форму, у некоторых птиц – две центральные зоны сетчатки.

В норме фовеола продолжает формироваться после рождения.

Меланин и сетчатка

Меланин входит в состав пигментного эпителия сетчатки, который находится позади слоя фоторецепторов. При альбинизме пигментный эпителий прозрачный, и свет, проходящий через слой фоторецепторов, не поглощается им, а отражается от сосудистой оболочки – проходит его заново, вторично рассеиваясь в слое фоторецепторов.

При осмотре глазного дна офтальмологи видят просвечивающие сосуды сосудистой оболочки, извитые, как червяки. Обычно их не видно из-за пигмента, или заметны только контуры.

Гипоплазия фовеолы и отсутствие пигмента вносят значительный вклад в снижение зрения и развитие светобоязни. Можно сказать, что это основные жалобы при альбинизме. Неполный перекрест зрительных нервов – еще одна особенность пациентов с альбинизмом.

В настоящее время (на 2019 год) известно 20 типов альбинизма. Врачи постоянно уточняют особенности их протекания, типы мутаций, вызывающие альбинизм, и особенности обмена меланина. В будущем это будет важно для разработки генетической или иной терапии.

Глазо-кожный альбинизм первого типа

Сначала был просто альбинизм. Затем врачи стали отмечать, что у людей он все же разный и отличается клиническими проявлениями.

Всегда было понятно, что проявления альбинизма связаны с изменениями в геноме, которые к нему привели, поэтому в зависимости от гена выделяются отдельные типы. Исторически в названии некоторых типов альбинизма присутствует «глазной» или «глазо-кожный».

TYR – языческий бог войны; также это фирма, производящая гидрокостюмы, в которых я участвую в соревнованиях по триатлону. Кроме того, TYR – это первые три буквы в слове «тирозиназа» и название гена, кодирущего этот фермент. Мой приятель с альбинизмом однажды решил, что я специально написал TYR на гидрокостюме, потому что думаю об альбинизме даже вне работы.

Ген TYR представляет инструкцию для синтеза тирозиназы. Этот фермент находится в меланоцитах – специальных органеллах, содержащих меланин. Тирозиназа участвует в самом начале синтеза меланина. Когда я только начинал работать, активность тирозиназы оценивалась как прогностический признак при альбинизме, и его делили на тирозиназонегативный и тирозиназопозитивный.

Сейчас известно 20 типов альбинизма, и такое деление уже ничего не уточняет. Повторюсь, правильнее выделять типы в зависимости от того гена, мутация которого вызвала альбинизм.

Мутации в гене TYR связаны с глазо-кожным альбинизмом первого типа. Они прерывают нормальную продукцию меланина, вследствие чего обесцвечиваются кожа, волосы и радужка, появляются проблемы со зрением.

Большинство мутаций TYR ведут к подавлению активности тирозиназы и предотвращают выработку меланина в течение жизни. Такие мутации называют глазо-кожным альбинизмом типа 1А (OCA1A). У людей с этим видом альбинизма белые волосы, светлые глаза и очень бледная кожа, которая не способна загорать. Другие мутации в гене TYR снижают, но не уничтожают полностью активность тирозиназы, в результате чего вырабатывается немного пигмента. Это глазо-кожный альбинизм типа 1B (OCA1B), при котором волосы и глаза со временем чуть темнеют, и кожа может загореть (тирозиназонегативный).

Глазо-кожный альбинизм первого типа ведет к наиболее выраженному снижению зрения из-за полного отсутствия пигмента.

Большинство случаев альбинизма на планете вызывается мутацией в гене TYR, однако есть и другие его типы, и с каждым годом открываются все новые и новые. Мы не будем останавливаться на всех. Нам интересно обсудить особенности, механизмы возникновения и интересные факты, но, честно говоря, мы по-прежнему знаем очень мало.

Глазо-кожный альбинизм второго типа

На 15-й хромосоме расположен ген OCA2, кодирующий P-белок, расположенный в меланосомах. Функция этого белка до конца не ясна, он каким-то образом вовлечен в синтез меланина. Некоторые исследователи считают, что он поддерживает нужный баланс кислотности внутри меланосом.

Меланосомы – относительно большие органеллы, придающие цвет тканям. Они содержат пигмент, состоят из двойной мембраны и имеют выросты.

Мутации в гене OCA2 ассоциируются с альбинизмом второго типа. Люди с этим видом альбинизма имеют светлые волосы и глаза, а также проблемы со зрением.

P-белок необходим для нормального синтеза меланина. При снижении его уровня количество меланина также снижается, что проявляется в осветлении кожи, глаз, волос.

Синдром Ангельмана

Синдром назван в честь британского педиатра Гарри Ангельмана, впервые описавшего его в 1965 году в статье «Дети-“марионетки”. Сообщение о трех случаях». Толчком к обобщению (на основе типичных клинических проявлений) случаев заболевания, которые врач наблюдал в своей практике, послужила увиденная им в музее Castelvecchio в Вероне (Италия) картина Джованни Франческо Карото, на которой был изображен веселый мальчик с рисунком шарнирной куклы в руке.

Этот синдром имеет наследственную природу и характеризуется отставанием в развитии, нарушениями речи и равновесия, уменьшением размера головы, повышенными положительными эмоциями, интеллектуальными отклонениями. Дети с синдромом Ангельмана чувствуют себя счастливыми, часто смеются, имеют проблемы с засыпанием и нуждаются во сне меньше, чем обычные дети. Именно при синдроме Ангельмана глазо-кожный альбинизм второго типа встречается чаще, хотя напрямую не имеет к нему отношения и возникает из-за утраты гена UBE3A, расположенного на 15-й хромосоме.

Рис. 26. Британский педиатр Гарри Ангельман

Нет никакой разницы, как именно будет выключен ген UBE3A, чтобы проявился синдром. В случаях, когда к синдрому Ангельмана приводит делеция, удаляется не только ген, непосредственно вызывающий синдром, но и одна копия гена OCA2 – в таком лучае у людей светлые кожа и волосы. Очень немногие люди с синдромом Ангельмана имеют полноценный глазо-кожный альбинизм второго типа. Это связано с потерей обеих копий гена OCA2. Синдром Ангельмана – редкий случай, когда можно с большой вероятностью определить тип альбинизма просто по факту заболевания им.

Рис. 27. Джованни Франческо Карото (ок. 1480–1555). Портрет рыжеволосого мальчика с рисунком шарнирной куклы

Делеция

Это процесс, при котором может быть удалена целая часть хромосомы. Если сравнить ген с книгой, несущей информацию о какой-то части клетки организма, при делеции могут удаляться отдельные книги и даже целые книжные полки. Так как делеция может затрагивать больше одного гена, то и ее последствия для организма более трагичны.

В случае синдрома Ангельмана делеция может захватить часть 15-й хромосомы, на которой расположен ген OCA2, что будет вести к снижению пигментации, а если будет поражена и вторая копия гена, проявится картина глазо-кожного альбинизма второго типа.

Рис. 28. Делеция

Мы уже упоминали процесс делеции, когда обсуждали эволюцию и гены РАХ6. И будем обсуждать проблемы, возникающие из-за выключения работы сразу нескольких генов при врожденном отсутствии радужки.

Наш общий голубоглазый предок. И опять OCA2

У меня голубые глаза. А у вас? Если да, мы с вами близкие родственники. Ну, может, не очень близкие, смотря как считать. Наш общий прадед жил около 6–10 тысяч лет назад. Именно он, первый голубоглазый человек, стал прародителем всех голубоглазых людей. По крайней мере, так считают многие исследователи-генетики.

Мутации в гене OCA2 вызывают глазо-кожный альбинизм второго типа, но с этим геном также связаны нормальные варианты пигментации глаз, кожи и волос.

Рядом с геном OCA2 располагается ген HERC2, который оказывает на него влияние. Разные варианты гена HERC2 связаны с нормальной пигментацией кожи, волос, глаз. Некоторые изменения в гене HERC2 ведут к частичному отключению OCA2, что проявляется голубыми глазами. Исследователи заметили, что геном голубоглазых людей в этих двух генах имеет идентичные изменения – это говорит о том, что мутации, которые привели к появлению голубого цвета глаз, с большой вероятностью имеют источник в виде одного человека, и случилось это совсем недавно. Иными словами, все голубоглазые люди имеют одного общего предка. (Не сочтите меня креационистом, но все люди имеют общего предка, как и любой вид животных, но в случае с голубоглазыми он жил позднее и, соответственно, ближе к ним.)

Не совсем понятно, как получилось, что голубоглазых людей стало так много (в некоторых европейских странах – до 40 %). Есть мнение, что в разное время голубоглазые люди считались более привлекательными, и это привело к распространению признака. Это лишь смелое предположение. Ученые считают, что голубоглазость началась с одного человека, возможно, жившего в районе Черного моря, и распространилась по Европе на север.

Цвет глаз

Голубоглазость – это низкое количество пигмента в глазах. Ранее считалось, что цвет глаз – это простая генетическая черта, кодируемая конкретным геном.

В настоящее время известно почти два десятка генов, которые могут влиять на цвет глаз. Предсказать цвет глаз ребенка, зная цвет глаз родителей, невозможно. Цвет глаз имеет полигенный характер наследования и определяется количеством и типом пигмента в радужке. Слово «полигенный» означает, что в формировании цвета глаз задействовано множество генов, поэтому возможны варианты цвета и оттенков.

Влияние генов на цвет глаз настолько комплексное, что у ребенка он может быть фактически любым, даже отличным от цвета глаз родителей.

Варианты окраски человеческих глаз могут зависеть от различного уровня меланина, который вырабатывается меланоцитами. Светлая окраска глаз многих птиц в большинстве своем может определяться такими пигментами, как птеридины, пурины и каротиноиды.

Три основных фактора, влияющие на цвет глаз: содержание меланина в пигментном эпителии и строме (верхний, сосудисто-волокнистый слой) радужки, плотность клеток. При любом цвете радужки пигментный эпителий содержит черный пигмент меланин, от содержания которого в строме радужки зависят варианты ее окраски. Плотность клеток обусловливает количество света, которое может дойти до пигментного эпителия. Изменчивость лишь одного гена OCA2 – причина вариативности цвета глаз у людей.

Карие глаза встречаются чаще всего, а во многих частях света это единственный цвет радужки. Наименее характерен он для жителей стран Балтии и Скандинавии. Темный пигмент карих глаз присущ жителям стран Восточной, Юго-Восточной, Южной и Западной Азии, Океании и Африки.

Светлые или среднепигментированные карие глаза наиболее характерны для жителей Европы, Индии, Ирана, Армении, Пакистана и Афганистана и некоторых районов Среднего Востока. Такие глаза иногда называют медовыми.

У человека карие глаза содержат большое количество меланина в строме радужки, что ведет к поглощению как длинноволнового, так и коротковолнового спектров. Они наиболее распространены – больше половины населения Земли имеют такой цвет глаз. Серые глаза наиболее характерны для жителей Северной или Восточной Европы, Северной Африки.

Зеленый цвет глаз обусловлен низким или умеренным уровнем меланина в результате взаимодействия различных вариантов OCA2 и других генов. Зеленые глаза наиболее характерны для жителей Северной и Центральной Европы, некоторых частей Южной Европы и Северной Африки. В Исландии 89 % женщин и 87 % мужчин имеют либо голубые, либо зеленые глаза.

Исследование, в котором участвовали взрослые люди из Исландии и Дании, показало, что зеленые глаза чаще встречаются у женщин, а также у потомков кельтов и германцев. Ореховый цвет глаз получается в результате рассеивания света и умеренного уровня меланина в переднем слое радужки. Часто проявляется разными оттенками: от светло-коричневого до зелено-золотого. Преобладающий цвет зеленый или светло-коричневый/золотой. Поэтому ореховые глаза часто путают с янтарными, и наоборот. В глазах с ореховым цветом радужка может быть по-разному окрашена в разных местах. Например, коричнево-янтарная около зрачка и темная или темно-зеленая в остальной части, но может быть и наоборот (при ярком солнечном свете). Ореховые глаза характерны для жителей следующих стран и регионов: Румыния, Чехия, Австрия, Франция, Испания, Болгария, Греция, Британия, Португалия, Чили, Италия, Венгрия, Восточная Германия, Сербия, Хорватия, Словения, США, Западная Азия, Эстония, Восточная Россия, Мексика, Аргентина.

Глазной альбинизм первого типа

Глазной альбинизм первого типа происходит из-за мутации в гене GPR143, расположенном на X-хромосоме. Этот ген кодирует белок, участвующий в контроле роста меланосом – клеточных органелл, в которых синтезируется и накапливается пигмент. В результате мутации меланосомы растут необычно большими; они не способны синтезировать меланин как положено, в связи с чем его количество ниже нормы.

Глазной альбинизм наследуется как X-сцепленное генетическое состояние. Оно вызывается аномальным геном на X-хромосоме. У женщин не возникает альбинизма, даже если есть мутация в этом гене, поскольку у них есть второй ген, который спасает ситуацию. Женщина может передать Х-хромосому с мутантным геном своему сыну, и тогда альбинизм у него проявится. Так как у женщины две Х-хромосомы, вероятность того, что она передаст Х-хромосому с измененным геном, составляет 50 %. Мужчины не могут передать такой альбинизм своим сыновьям, так как ген находится на Х-хромосоме, а мальчикам отцы передают свою Y-хромосому. Однако все дочери мужчин с глазным альбинизмом первого типа становятся носителями патологического гена, и, в свою очередь, передают эти гены сыновьям.

Не просто белая кожа

В 1959 году Франтишек Германский и Павел Пудлак (Frantisek Hermansky (1916–1980); Pavel Pudlak (1927–1993)) описали двух пациентов с глазо-кожным альбинизмом, у которых отмечались кровоизлияния в кожу. Оба пациента страдали заболеванием легких. Позднее пациентов со схожими характерными проявлениями стали классифицировать как больных синдромом Германского – Пудлака.

Синдром Германского – Пудлака – это группа синдромов, относящихся к глазо-кожному альбинизму. Люди с этим синдромом имеют светлую кожу и белые волосы. У них отмечается повышенный риск кожных повреждений и рака кожи из-за длительного пребывания на солнце.

Снижение зрения, нистагм и светобоязнь типичны для глазо-кожного альбинизма. Зрение обычно остается стабильным.

Люди с синдромом Германского – Пудлака также страдают от проблем, связанных со свертываемостью крови, что ведет к частому образованию синяков и длительным кровотечениям.

У некоторых пациентов с синдромом Германского – Пудлака развиваются проблемы с дыханием из-за легочного фиброза – образования рубцовой ткани в легких. Симптомы обычно появляются в начале третьего десятка лет и быстро усугубляются.

Другие частые симптомы: воспаление толстого кишечника (гранулематозный колит) и почечная недостаточность.

Существует десять различных типов синдрома Германского – Пудлака, которые отличаются протеканием симптомов и генетической природой. Типы 1 и 4 – наиболее тяжелые формы заболевания. Только типы 1, 2 и 4 ассоциируются с легочным фиброзом. Пациенты с 3, 5 и 6-м типами имеют менее выраженные симптомы. О симптомах типов 7, 8 и 9 известно мало.

Как часто встречается синдром Германского – Пудлака?

Это редкое заболевание и встречается примерно от 1:500 000 до 1:1 000 000 по всему миру. Первый тип наиболее характерен для Пуэрто-Рико, для северо-восточной части острова, где с ним можно столкнуться с частотой 1:1800. Третий тип характерен для людей центральной части Пуэрто-Рико. Группы пациентов находятся и в других регионах, таких как Индия, Япония, Соединенное Королевство и Западная Европа. Возникновение синдрома Германского – Пудлака возможно в любой стране у людей любой национальности.

Гены, связанные с синдромом Германского – Пудлака

С синдромом Германского – Пудлака связаны как минимум десять генов. Они представляют инструкцию для синтеза протеинов, которые используются для создания четырех белковых комплексов, играющих роль в образовании и передвижении групп клеточных структур, называемых лизосомо-зависимыми органеллами (LROs). LROs очень похожи на лизосомы, которые разрушают и переваривают различные компоненты. Однако LROs выполняют особую функцию и находятся в определенном типе клеток. Они были обнаружены в пигмент-продуцирующих клетках (меланоцитах), тромбоцитах и в клетках легких.

Мутации в генах, имеющих отношение к синдрому Германского – Пудлака, препятствуют формированию LROs или нарушают функцию этой клеточной структуры. Обычно мутации в генах, ведущие к нарушению синтеза одного и того же белка, проявляются схожими симптомами.

Этот синдром проявляется глазо-кожным альбинизмом, потому что меланоциты с LROs не могут создавать меланин. Кровоточивость связана с тем, что нет нормального комплекса LROs в тромбоцитах, из-за чего они не могут агрегироваться (объединяться) и образовывать тромб.

Мутации при некоторых типах синдрома Германского – Пудлака ведут к нарушению работы LROs в легких, что влечет их фиброз.

Мутации в гене HPS1 вызывают примерно 75 % всех случаев синдрома Германского – Пудлака в Пуэрто-Рико. Около 45 % случаев в других популяциях также связаны с геном HPS1. Мутации в этом генe встречаются в 25 % случаев среди пуэрториканцев и примерно в 20 % среди других людей. Иные гены задействованы значительно реже. В некоторых случаях ген, вызвавший заболевание, остается неизвестным. Последний ген (десятый в этом обзоре) – AP3D1.

Как люди наследуют синдром Германского – Пудлака?

Заболевание наследуется аутосомно-рецессивно. Это значит, что обе копии гена в каждой клетке содержат мутацию. Каждый из родителей пациентов с аутосомно-рецессивными болезнями несет по одной копии гена, но обычно они не проявляют симптомов заболевания.

В настоящее время не существует лечения синдрома Германского – Пудлака, но ведутся испытания препаратов для лечения легочного фиброза, сопутствующего ему.

Альбинизм с нормальной пигментацией

Интересную форму глазной патологии стоит обсудить отдельно. Это синдром, который по глазным проявлениям очень схож с альбинизмом, однако нормальная пигментация сохранена.

Такой синдром наследуется аутосомно-рецессивно и получил название-акроним – FHONDA (фовеолярная гипоплазия с нарушением перекрёста зрительного нерва, с дисгенезом переднего отрезка и без альбинизма) и в настоящее время не очень хорошо изучен. Гипоплазия фовеолы и нарушение перекрёста характерны для альбинизма.

Изменения переднего отрезка глаза обычно не связывают с альбинизмом, однако, по данным исследований, задний эмбриотоксон – при глазном альбинизме частая находка (около 30 %).

Считается, что FHONDA – не совсем альбинизм, но развитие этого синдрома связано с дефектом метаболических путей синтеза меланина.

Социальные проблемы, связанные с альбинизмом. Танзания и Северная Африка

Это история позора. История, в которой люди в XXI веке опускаются до гнусных суеверий и нелепых предрассудков.

В Африке, в частности в Танзании, людям с альбинизмом живется не очень легко. Африканский континент – самый опасный для альбиносов. Быть белым среди черного большинства – быть необычным. Угрожает опасность со стороны охотников за альбиносами. Колдуны Танзании и некоторых других африканских стран считают, что части тела и амулеты из альбиносов приносят удачу, в частности финансовое благополучие.

Я подписан в «Фейсбуке» на африканские сообщества альбиносов. К сожалению, насилие – самая актуальная тема для них. Эти люди не заслуживают такой участи. Правительство Танзании, полиция и армия совместно с сообществом альбиносов проводят операции по выявлению колдунов, причастных к преступлениям, но они повторяются снова и снова.

Недавно ООН выступила с осуждением ритуального убийства детей и варварского удаления частей их тел, произошедших на юге Танзании.

Частная газета «Мвананчи» сообщила, что по меньшей мере десять детей в возрасте от двух до десяти лет, в основном альбиносы, были найдены мертвыми в январе 2019 года в южном регионе Нжомбе.

ООН выразила обеспокоенность непрекращающимися похищениями альбиносов ради частей их тел. Танзанийское сообщество альбиносов ведет огромную просветительскую работу среди населения о вреде религиозных предрассудков.

Типы альбинизма

Всего известно 20 типов альбинизма, большинство из них относятся к синдрому Германского – Пудлака.

Ниже приведен список всех 20 типов генов, ответственных за разные типы альбинизма, известных к 2018 году.

Правила жизни при альбинизме

В настоящее время нет лечения ни одного типа альбинизма. Но это не значит, что альбиносы не консультируются с врачами по поводу проблем, связанных с их заболеванием. Многие исследователи изучают различные проблемы альбинизма: проходят международные конференции, на которые съезжаются специалисты со всего мира.

Важно защищать кожу от повреждения солнечным светом: носить шапку и максимально закрытую одежду. Это непростая задача.

Ребенку с альбинизмом необходимо ограничивать пребывание на открытом солнце. Бóльшую дозу ультрафиолетового излучения можно получить с 10 до 14 часов. Игры и любую активность на улице планировать на утро либо на вечер – это очень важно для детей с альбинизмом.

Обычно в подробном прогнозе погоды можно найти информацию об уровне ультрафиолетового излучения. Он рассчитывается в зависимости от широты, времени года, облачности. Уровень ультрафиолета условно определяют по шкале от 1 до 11.

Очень важна одежда. Мокрая одежда может пропускать до 50 % ультрафиолета. Все чаще стала появляться «дышащая» одежда из плотной ткани, которая закрывает большую часть поверхности тела и подходит для теплой погоды. У людей с альбинизмом повышен риск возникновения новообразований кожи. Использование кремов и соответствующей одежды снижают его.

Чтобы справиться со светобоязнью и повышать остроту зрения, пациентам с альбинизмом необходимо использовать очки со светофильтрами и поляризацией. В зависимости от типа светофильтра определенная часть видимого спектра света отсекается, разнообразие цветовой гаммы уменьшается, но и хроматические аберрации снижаются. По такому же принципу работают так называемые компьютерные очки: отсекая часть спектра, делают видимую картинку значительно более резкой.

Что будет завтра

В будущем простые заболевания будут по-прежнему лечиться либо теми методами, что есть сейчас, либо вовсе игнорироваться. Интересно, что практически не осталось лекарственных методов лечения, применяемых около 100 лет назад. Иногда врачи говорят, что можно вообще не лечить – исход один (это подтверждают некоторые исследования по лечению конъюнктивитов: антибиотики не сокращают сроков заболевания и назначать их не надо). Вряд ли кто-то в ближайшем будущем будет заниматься заболеваниями, которые можно отнести к категории легких. При амблиопии, миопии и подобных заболеваниях вряд ли мы будем использовать генетическую терапию или заменять глаз на искусственный. Несмотря на то что этим патологиям и сейчас уделяется много внимания, под медициной будущего мы будем понимать решение серьезных проблем. Так что очки, контактные линзы и даже лазерная хирургия – это надолго. На наш век хватит.

Завтра приходит неожиданно быстро. Есть риск, что будущее может наступить, пока книга готовится к изданию, и нужно прогнозировать уже «послебудущее». Это неблагодарная работа, но я попробую.

Киберглаз

Поговорим о протезах сетчатки, устанавливающихся непосредственно в зрительную кору, новых электронных устройствах, которые в недалеком будущем позволят видеть, даже если глаз нет совсем. Это портативное устройство уже существует, правда, пока оно очень высокотехнологичное и дорогое. Однако со временем все высокотехнологичное и дорогое становится обыденным и дешевым.

Мы уже знаем, как устроен глаз. Это живая камера, в которой изображение проецируется на сетчатку глаза. С некоторыми оговорками сетчатку можно сравнить с матрицей фотоаппарата. Проще говоря, от глаза отходят множество очень тонких проводков, несущих в головной мозг информацию о том, что он видит. Окружающее проецируется на сферическую сетчатку, появляется нервный импульс, уходящий в мозг по волокнам зрительного нерва. Таким образом, каждая точка пространства имеет свое представительство не только на сетчатке, но и в зрительном нерве и далее в зрительных путях, волокна в которых располагаются в определенном порядке. Специалисты называют его ретинотопическим. Под зрительными путями понимается весь путь нервной передачи: от сетчатки до зрительной коры в затылочной области.

Порядок помогает

Особый порядок расположения волокон в зрительном нерве позволяет неврологам и нейрохирургам выявить очаг поражения в головном мозге (например, опухоли), если он затрагивает зрительные пути. Они достаточно длинные – начинаются в глазу и заканчиваются в затылочной доле коры головного мозга. Вероятность возможного выпадения полей зрения достаточно высока. При незначительных выпадениях пациент может их не замечать. В такой ситуации проводят измерение полей зрения при помощи специального периметра, когда пациента просят смотреть на яркую точку в центре сферы, а по ее периферии загораются точечные светильники разной яркости. Если пациент видит эти светящиеся элементы, он нажимает на кнопку джойстика. Компьютер обрабатывает информацию и рисует карту полей зрения.

Каждое волокно зрительного пути несет информацию об отдельной точке пространства. Эти волокна идут в определенном порядке, повторяющем расположение точек в пространстве. Здесь я упрощаю, на самом деле все значительно сложнее.

Для понимания того, как должен работать киберглаз, подойдет такая упрощенная, но абсолютно объективная картина. Соответственно, чтобы вставить киберглаз, надо встроить провода от видеокамеры в уже существующие зрительные пути – в таком случае будет возможно первое киберзрение.

Какие проблемы возникают при изобретении киберглаза? Нужно очень много тоненьких проводов, которые будут соединяться с проводящими путями и генерировать зрительный импульс. Они должны располагаться в определенном порядке и каким-то образом встраиваться в существующую нейронную сеть, не быть травмирующими и токсичными и работать если не всю жизнь, то очень долго.

Такие предложения уже есть. Американская фирма Second Sight разработала и наладила выпуск ретинальных протезов, представляющих собой светочувствительную матрицу, которая помещается на переднюю поверхность сетчатки в область центра и способна генерировать сигнал, передаваемый далее по зрительному нерву. В такой системе электронный протез воссоздает часть сетчатки.

FDA дала разрешение на изучение системы Orion-I – кортикальной (то есть относщейся к зрительной коре головного мозга) системы протезирования зрения. Разрешение распространяется на Университет Калифорнии в Лос-Анджелесе и Школу медицины в Хьюстоне, чтобы они могли провести исследование с участием пяти пациентов. Зрительная кора головного мозга – та часть, в которой происходит финальная обработка зрительной информации. Увиденное осознается нами, представляется нам в виде конкретной картины.

Система Orion-I – это устройство, стимулирующее зрительную кору в обход сетчатки и зрительного нерва. Такая система может вернуть зрение людям, которые потеряли его из-за приобретенных заболеваний сетчатки или зрительного нерва (например, глаукомы или пигментного ретинита).

Ученые десятилетиями пытались разработать мозговой имплантат для возвращения зрения, но успеха не было. Если устройство покажет свою эффективность, это поможет миллионам слепых людей во всем мире.

Система Orion-I имеет тот же принцип, что и предыдущая Argus-II – видеокамера расположена в очках, которые носит пациент. Изображение трансформируется в слабые импульсы, которые через имплантированные электроды приходят непосредственно в кору головного мозга (в системе Argus-II электроды монтировались в сетчатку). Такой подход позволяет расширить показания для использования таких приборов и применять его для лечения заболеваний с характерными поражениями и сетчатки, и зрительного нерва.

Скорее всего, даже очень успешные испытания пока не решат всех проблем. Зрение можно будет вернуть только тем, у кого оно раньше было, что позволило развиться зрительной коре в раннем детстве. Однако это неоднозначный факт. Возможно, пространственная ориентация будет достигаться и полностью слепыми с рождения людьми.

В октябре 2016 года компания уже анонсировала первый результат имплантации тридцатилетнему пациенту, который стал различать локализацию отдельных источников света. Хирургия не вызвала никаких осложнений.

Вероятно, такой подход восстановит зрение примерно в такой же степени, как и система Argus-II, или чуть больше. Большинство пациентов отличали свет от тьмы или обрисовывали контуры предметов, некоторые могли читать очень крупные буквы.

Основная проблема в том, что для установки такого имплантата необходима более серьезная операция, чем в случае с Argus-II. Так как имплантат ставится в кору, есть вероятность развития инфекционной патологии и эпилепсии. Такие осложнения при подобных операциях наблюдались в прошлом веке.

Устройство зрительной коры головного мозга более сложное, чем сетчатки. Ученые находятся в самом начале пути понимания того, как зрительная кора обрабатывает сигнал. С другой стороны, известно, что некоторые процессы обработки зрительной информации проходят в сетчатке. Пока непонятно, как это отразится на качестве зрения.

Генетическая терапия

Под генной инженерией следует понимать возможность осмысленно менять генетический код, что будет способствовать улучшению фенотипических проявлений или их возврату к нормальному состоянию. Мы обсудили несколько глазных заболеваний. В одном примере видим, как нехватка гена PAX6 ведет ко множественным нарушениям, в другом – нарушение работы мембран не позволяет меланосомам нормально работать, порождая альбинизм.

Генетическая терапия – это методы лечения, оказывающие влияние на гены, их замещение или устранение недостаточности. Используется при генетических болезнях и разрабатывается для них. Многие болезни, считавшиеся ранее не генетическими, впоследствии признаются таковыми после более глубокого изучения их природы (например, онкологические заболевания). Поэтому сфера потенциального применения генетической терапии будет расширяться. Скорее всего, она найдет применение в борьбе с наследственными заболеваниями, онкологией и некоторыми инфекциями.

Как работает генетическая терапия?

Ученые ищут пути воздействия на ген с мутацией, приводящий к возникновению заболевания. В большинстве случаев идея заключается в замещении патологического гена или недостаточности его работы. Для этого проводятся попытки доставить в клетку нормальных (правильных) фрагментов нуклеиновых кислот и включить их в копирование. Обычно используются модифицированные вирусы, способные проникать в клетки человека и размножаться в них. Возможно, вирус сможет доставить в клетку нужный участок ДНК, благодаря которому будет производиться нужный белок.

Генетическая терапия может быть применима к заболеваниям, в которых основную роль играют гены, активные после рождения. Некоторые проявления генов могут быть завершенными к моменту обращения пациента за генетической терапией или произошедшими во время формирования органа или ткани. Например, патология перекреста зрительных путей и макулярной области при альбинизме происходит внутриутробно, и вряд ли это можно будет изменить в будущем у родившегося человека с помощью генетической терапии. В то же время при некоторых типах альбинизма будет возможным увеличить количество пигмента в клетках, что облегчит течение заболевания.

Например, формирование радужки, зрительного нерва, макулярной области при врожденной аниридии обусловлено тем, что ген PAX6 при внутриутробном развитии работал не в полной мере (необходимо два гена PAX6, а у пациентов с врожденной аниридией нормально работающий только один). Однако недостаточность гена PAX6 проявляется и после рождения нарушением формирования эпителия роговицы, катарактой, глаукомой. Поскольку активность гена необходима и продолжается после рождения, на нее можно воздействовать при помощи генетической терапии (и такие попытки уже есть).

Основные возможные пути приложения генетической терапии такие:

• замена гена с мутацией нормальным;

• инактивация мутированного гена, работающего неправильно;

• внесение нового гена, который поможет бороться с заболеванием.

Генетическая терапия призвана внести генетический материал в клетку, чтобы компенсировать работу патологических генов (или ее отсутствие), и в итоге получить нормальный белок. Если ген, содержащий мутацию, кодирует неправильный белок или синтез белка вообще блокируется, генетическая терапия позволяет внести нормальный ген, который будет правильно функционировать и вести к синтезу белка.

Если просто ввести ген в клетку, он не будет работать. Необходимо использовать векторы – специальные вирусы – переносчики генов.

Некоторые вирусы часто выступают векторами, потому что могут доставить нужный ген в клетку. Вирусы генетически изменяются так, что не могут вызвать заболевание у человека. Некоторые типы вирусов, такие как ретровирусы, интегрируют свой генетический материал (включая нужный ген) в генетический материал человека. Другие вирусы (аденовирусы) доставляют свою ДНК в ядро клетки, но их ДНК не интегрируется в хромосомы человека.

Вектор может быть введен внутривенно или напрямую в нужную ткань. Возможно, некоторые клетки человека можно будет на время забирать для обработки вектором, а затем возвращать их в тело человека.

Исследователи должны решить множество задач, прежде чем генетическая терапия может быть технически применима для лечения заболеваний. Например, необходимо найти лучший путь для доставки гена к определенным тканям и быть уверенным, что экспрессия нового гена адекватна необходимости.

Иммунитет бактерий и генетическая терапия

Мы немного отвлечемся непосредственно от генетической терапии и углубимся в физиологию бактерий. Бактерии – это простые одноклеточные организмы, не имеющие хромосом, их генетический материал меньше клетки человека. Бактерии живут в воздухе, воде, почве и появились на Земле намного раньше, чем все животные и растения.

Бактерии, как и люди, могут подвергаться вирусным заболеваниям. Есть вирусы, опасные для бактерий, – у них нет такой иммунной системы, как у человека, в иммунном ответе которого задействовано много клеток. Бактерия – сама по себе цельный и законченный одноклеточный организм с иммунной системой. И она имеет отношение к методам генной терапии.

В конце 1980-х годов в одном из видов бактерий ученые обнаружили повторяющиеся участки генома, которые ничего не кодировали. У бактерии генетический материал намного компактнее, чем у нас, и бессмысленная протяженность ДНК не может не вызывать вопросов. Между повторяющимися участками располагались и отличающиеся друг от друга. Позднее они были обнаружены и у других бактерий. Сравнивая эти участки с открытыми, ученые пришли к выводу, что это участки генома различных вирусов, которые могут атаковать бактерии и вредить им.

Такие повторяющиеся участки были названы CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами). Позднее рядом с ними были найдены гены, названные Cas-генами (CRISPR associated genes). Они кодируют белки, определяющие, что в клетку проник вирус, сравнивают его с последовательностью, которая находится между повторяющимися участками генома, и, если они идентичны, уничтожают ДНК вторгшегося вируса. Так устроен противовирусный иммунитет бактерий.

Существует несколько механизмов того, как Cas-белки взаимодействуют и уничтожают вторгшиеся вирусы. Их еще предстоит изучить. Тем не менее некоторые из них уже изучены настолько, что могут применяться в генной терапии.

Белок Cas9 разрезает ДНК вируса в нужном месте, узнавая его по 20–30 нуклеотидам. Можно запрограммировать всю систему так, что она будет делать разрез там, где необходимо. Тридцать нуклеотидов – это уникальная последовательность, позволяющая использовать молекулярный скальпель с высокой точностью. Такая точность позволяет проводить «разрез» ДНК именно в заданном месте, где есть определенная последовательность нуклеотидов, удалять участок, который ведет к проявлению заболевания и вставлять нужный участок. В настоящее время это один из вариантов работы генной терапии будущего.

Можно ли использовать генетическую терапию прямо сейчас?

Генетическая терапия применяется лишь при очень немногих заболеваниях. Большинство методов находятся в состоянии разработки и совершенствования. В настоящее время в мире проводятся сотни исследований для изучения применения генной терапии в лечении генетических заболеваний, рака, ВИЧ-инфекции.

Какие этические или юридические вопросы есть в использовании генетической терапии?

Современная генетическая терапия направлена на лечение состоявшегося организма. Чтобы предотвратить заболевание у будущих поколений, необходимо воздействовать на половые клетки. Поскольку отдаленные последствия такой терапии до конца не известны, невозможно принять решение за судьбу человека, который только будет рожден. Исследования генетической терапии, направленные на будущие поколения людей, в США, например, по закону не могут финансироваться из бюджетных средств.

Однако мы стали свидетелями использования генетической терапии еще до рождения человека. Пока такой тип терапии осуждается из-за невозможности всегда предсказать последствия.

Неясен вопрос, могут ли злоумышленники применять генетическую терапию в преступных целях?

Не всегда можно точно определить, что некоторые свойства и черты патологические, и не совсем ясно, кто и на каком основании будет это определять, особенно за детей.

Должны ли люди допускаться до генетической терапии, чтобы исправить индивидуальные черты: вес, рост, черты лица, уровень интеллекта?

Начало положено. Идея генной терапии существует давно. При любом генетическом заболевании поломка в генетическом коде ведет к нарушению функции органа.

Большая часть прогрессирующих глазных заболеваний имеет генетическую природу. Идея заключается в том, чтобы доставить в клетку нормальный генетический материал, с которым функция клетки могла бы реализовываться.

Вирусы – первые кандидаты на роль транспорта генетического материала в клетки. Они инфицируют множество клеток и заставляют работать геном хозяина на себя. Если попытаться встроить вместе с вирусом часть нормального генома, есть надежда на восстановление функций.

Все очень сложно: вирусы сами по себе могут быть небезобидны, они элиминируются (удаляются) из организма. Ученые, хоть и значительно продвинулись, пока стоят в начале пути.

FDA (Food and Drug Administration) разрешила к применению препарат Luxturna, предназначенный для лечения детей и взрослых от наследственного заболевания глаз, приводящего к слепоте. Это первый препарат прямой генной терапии, разрешенный в США.

Luxturna разрешена к применению у пациентов – гомозиготных носителей поврежденного гена RPE65, что может вести к дистрофии сетчатки, снижению зрения и провоцировать полную слепоту.

Наследственные дистрофии сетчатки многообразны и представлены большой группой дистрофий, вызванных различными генетическими изменениями. В настоящее время насчитывается около 220 генов, мутации в которых могут вести к различным наследственным дистрофиям сетчатки, обычно прогрессирующим после рождения.

Каждый человек получает от отца и матери по две копии гена (кроме генов, расположенных в половых хромосомах). При рецессивном типе наследования необходимо, чтобы обе копии гена были изменены, только тогда возникает заболевание. Совпадение, когда обе копии гена RPE65 дефектны, встречается примерно у 2000 пациентов из США. Не обязательно, чтобы это были одинаковые мутации. Если копии гена RPE65 от отца и матери содержат ошибку, возникает заболевание. RPE65 кодирует фермент, необходимый для нормальной работы сетчатки. Мутации в обоих генах лишают ее этого фермента – прогрессирует снижение зрения. Обычно оно ярко выражено и часто заканчивается полной слепотой.

Luxturna доставляет нормальную копию гена RPE65 прямо к клеткам сетчатки, которые затем синтезируют нормальный протеин, участвующий в трансформации света в электрический сигнал. Luxturna использует аденовирус, измененный рекомбинантной ДНК, как транспорт, чтобы доставить ген к клеткам сетчатки.

Препарат должен назначаться только тем пациентам, которые имеют жизнеспособные клетки сетчатки, что определяется лечащим врачом. Каждый глаз лечится раздельно с разницей минимум шесть дней путем субретинальной инъекции. Пациенты должны пройти короткий курс преднизолона для ограничения иммунной реакции к Luxturna.

Безопасность и эффективность препарата клинически выявлена в исследованиях на 41 пациенте в возрасте между четырьмя и 44 годами. У всех участников исследования была подтвержденная мутация RPE65 в обоих аллелях. Группа пациентов, получающих Luxturna, по сравнению с контрольной группой продемонстрировала значительно лучшую способность преодоления препятствий при низком освещении.

Самые частые побочные реакции при лечении Luxturna включали красноту глаз, катаракту, повышение внутриглазного давления и ретинальные тяжи.

Стволовые клетки

Идея использования стволовых клеток появилась очень давно. Это клетки, которые не имеют четкой дифференциации и могут превращаться в разные другие. Например, клетки костного мозга дают начало всем клеткам крови с совершенно разными функциями. Именно стволовые клетки костного мозга давно применяют в лечении людей с заболеванием крови. Клетки крови постоянно обновляются: старые умирают, а новые растут из клеток костного мозга, который относительно легко получить у живого человека и ввести его другому.

Можно сказать, что все клетки организма развились из стволовых. Клетка пяточной кости и ганглиозная клетка сетчатки на заре развития организма имеют одну общую клетку. Чем дальше эти клетки друг от друга, тем на более ранней стадии развития у них была общая стволовая клетка. Существуют клетки, из которых может получиться что угодно: от печени до пульпы зуба.

Идея использовать стволовые клетки в лечении болезней кажется заманчивой. Хорошо бы поместить куда-то стволовую клетку, чтобы она воссоздала разрушенные клетки сетчатки или зрительного нерва, что привело бы к восстановлению функций. Пока это не получается.

В процессе формирования органа стволовые клетки дифференцируются, строится архитектура органа, которая может быть обусловлена процессами, не связанными с дифференциацией самой линии клеток или не только с ней.

Кроме существования клетки важно ее окружение и анатомическое расположение уже сформированных тканей, чтобы эти ткани и нужные этапы дифференциации формировались и проходили одновременно. Это усложняет внедрение стволовых клеток в офтальмологии. Если при использовании клеток костного мозга важны клетки, одиночно плавающие в плазме крови, то для сетчатки важно, чтобы каждая клетка занимала свое место. Фоторецепторы, биполярные и ганглиозные клетки-волокна в зрительном нерве идут в строгом порядке и пространственно повторяют расположение клеток в сетчатке. Такой порядок называют ретинотопическим. Это обязательное условие для работы всей системы.

Архитектура ткани в сетчатке чрезвычайно сложна, и воссоздание самой клетки не решит всех проблем. Важна архитектоника, ретинотопичность клеток, которая формируется внутриутробно, когда процессы дифференциации клеток проходят одновременно с процессами окружающих тканей.

В разделе «Острота зрения. Рефракция» мы обсуждали, что происходит, если что-то идет не так с процессом формирования зрительного анализатора. Там мы упомянули, что решетчатая пластинка, как фильтр, отделяет миелиновую часть зрительного нерва от немиелинизированной внутриглазной части нервных волокон. Это техническая деталь, но и ее формирование должно быть одномоментным с развитием аксонов зрительного нерва. Нарушение этого взаимодействия приводит к такой патологии, как миелиновые волокна зрительного нерва, что может вести к резкому снижению зрения и росту миопии высокой степени.

Дифференциация стволовых клеток – еще одна проблема. Мы очень мало знаем о том, как управлять этими процессами.

Я не думаю, что идея использования стволовых клеток будет успешна в ближайшем будущем. Возможно, есть перспективы при восстановлении эпителиальных тканей, например при лимбальной недостаточности при PAX6-аниридии (см. главу, где обсуждаются аниридия и альбинизм). Такие работы есть, и за ними интересно наблюдать. Восстановление эпителиальных и вообще постоянно обновляющихся тканей – наверное, самое ожидаемое направление в применении стволовых клеток.

Гимнастика для глаз

Для многих людей идея исправления глазных заболеваний без очков, контактных линз, лекарств или хирургии – это мечта длиной в жизнь.

Я говорю о вере в то, что с помощью упражнений, расслабляющих техник, массажа глаз, хороших, дорогих витаминов, остеопатии можно улучшить зрение.

В 20-х годах прошлого века доктор Уильям Бейтс написал книгу под названием «Совершенное зрение без очков», в которой задался вопросом, служат ли очки единственным способом коррекции зрения. Бейтс разработал методики (я расскажу о них в этой главе), которые не считаются научными, однако по сей день имеют много сторонников среди непрофессионалов.

Я бы не поднимал эту тему вообще, но иду на поводу у своих пациентов и обсуждаю ее здесь, чтобы не тратить время на приеме.

Кроме того, это еще один пример долгой живучести ненаучного мировоззрения, многие годы существующего отдельно от медицинской науки, имеющего множество сторонников, информационных ресурсов, книг, сайтов. Как и многие другие методы, такие как гомеопатия, остеопатия, рефлексотерапия.

Кроме методики Бейтса есть методики тренировки аккомодации, гимнастики и глазные тренажеры, которые до сих пор используются в нашей стране и некоторых странах бывшего СССР и даже назначаются врачами. Люди моего возраста, возможно, помнят тренировку глаз – с точкой на стекле.

Различные тренажеры, которые «тренируют аккомодацию», используемые при миопии и назначаемые курсами детям в кабинетах охраны зрения, все так же тратят ресурсы впустую.

Когда мы говорим о гимнастике, о самом значении этого слова, подразумеваем комплекс физических упражнений, способствующих повышению физической силы, улучшению навыков или просто поддерживающих в рабочем состоянии мышцы при малоподвижном образе жизни.

Некоторые люди верят, что гимнастика может быть эффективна при близорукости, дальнозоркости, астигматизме. В основе такой веры лежит представление, что глазу не хватает какой-то гимнастики или что заболевания глаз возникли из-за того, что глаз не разучил какие-то движения или их не хватает, и если их добавить и разучить, заболевание пройдет. Объективно нет ни одного заболевания (частичное исключение для недостаточности конвергенции), у которого есть подобный механизм возникновения.

Многие помнят, как в детстве врач прописывал им гимнастику с меткой на стекле или выдавал комплекс упражнений на каждый день, который был призван замедлить прогрессирование миопии или даже улучшить все показатели.

Вера в гимнастику в офтальмологии сродни вере в витамины. И то, и другое просто принимается на веру и считается рутинным назначением. Я сталкиваюсь с искренним непониманием, когда говорю пациентам, что гимнастика и витамины не нужны. То же самое можно сказать о многочисленных тренажерах, тренирующих аккомодацию.

Обычно гимнастику рекомендуют, когда надо поддержать физическую форму человека, которому в обычной жизни не хватает физической активности. Существует гимнастика по медицинским показаниям в реабилитации. Однако даже у самого малоподвижного человека мышцы глаза находятся в постоянном движении. Рекомендовать еще как-то дополнительно их разрабатывать может оказаться лишенным смысла. Нет никаких достоверных данных, что этого движения им не хватает.

Есть основная причина, по которой не стоит делать гимнастику глаз: близорукость, дальнозоркость и астигматизм просто не связаны ни с мышцами, ни с тонусом, ни с их недостаточной тренированностью. То есть если мы говорим, что гимнастику делаем при недостаточной тренированности или гиподинамии, то применимо к близорукости, дальнозоркости и астигматизму можно сказать, что тренированность и гиподинамия просто не имеют отношения к генезу этих проблем. Несмотря на то что этой причины уже вполне достаточно, обсудим и остальные.

Метод Бейтса

Уильям Бейтс (William Horatio Bates (1860–1931)) придумал метод для лечения глазных заболеваний. Он полагал, что причина аномалий рефракции заключается в привычном напряжении глаз, и очки вредны только потому, что закрепляют это состояние. Бейтс издал книгу «Совершенное зрение без очков», объясняющую, как избавиться от напряжения и исправить проблемы со зрением. Метод Бейтса – это удивительный пример научно и клинически несостоявшегося метода лечения, который тем не менее имеет огромное количество сторонников, практикующих его по сей день.

Бейтс считал, что аккомодация происходит за счет наружных мышц глаза. Его мнение не воспринималось серьезно уже в те времена. Бейтс говорил, что наружные мышцы способствуют удлинению и укорочению глаз, изменение формы глаза становится привычным и таким остается, а если используем очки, то просто фиксируем это состояние и не даем ему возвращаться. Бейтс полагал, что комплексом разработанных им упражнений можно изменить ситуацию и сделать зрение идеальным. Надо отметить, что хоть Бейтс и объяснял механизм действия своих упражнений именно изменением рефракции, этот метод пытаются использовать и при других заболеваниях.

Несмотря на постоянные слухи о том, что существуют множественные случаи исправления зрения при помощи метода Бейтса, объективно он не показал какой-либо эффективности. Его постулаты и теории не соответствуют объективным данным о физиологии зрения. Проблески ясного зрения, наблюдаемые теми, кто использует метод, связаны с эффектом контактной линзы, который создает пленка слезы на поверхности глаза.

Методику Бейтса критикуют не только потому, что она ненаучна и не показала своей эффективности, но и потому, что может быть опасна для практикующих ее. Такие действия, как направление взгляда на солнце, могут быть опасны для зрения.

Аккомодация по Бейтсу

По мнению Бейтса, аккомодация связана с тем, что наружные мышцы глаза сокращают глазное яблоко снаружи и тем самым меняют его форму: удлинение глаза ведет к фокусировке на близкое расстояние, а укорочение – на далекое.

Исследования показали, что внешние мышцы глаза недостаточно влияют на его размер, чтобы воздействовать на рефракцию. Но при сокращении глазодвигательных мышц размеры глазного яблока меняются крайне незначительно. Глаз слишком жесткий для этого. Все эти знания – не умозрительные заключения, взятые из мыслей офтальмологов. Это то, что сейчас реально пощупать и оценить. Можно измерить размеры глаза живого человека и сделать это достаточно легко – оборудование, необходимое для этого, не редкость, оно есть в любой клинике, где изучают хрусталик глаза. Крайне незначительные изменения в аксиальной (передне-задней) длине глазного яблока наблюдаются при сокращении наружных мышц глаза (около 19 микрометров) и могут сдвигать рефракцию на тысячные доли диоптрии, что ничтожно мало. Мы знаем, что, если закапать капли, расширяющие зрачки или для осмотра глазного дна, блокируется работа хрусталика и аккомодации.

Методы, применяемые Бейтсом

Бейтс предлагал несколько техник, которые должны были поднять зрение тем, кто их выполняет. Он считал, что раз есть много путей к напряжению зрения, столько же должно быть и для расслабления. Бейтс подчеркивал, что нет единого подхода к каждому, а он должен быть индивидуальным.

По мнению Бейтса напряжение ведет к зрению с нецентральной фиксацией, так что нужно добиться расслабления и зрения с центральной фиксацией. Проблемы плохого зрения исчезают, когда достигается центральная фиксация. Напротив, если смотреть нецентрально, глаз привыкает, и это нужно исправлять упражнениями. По мнению Бейтса, многие причины плохого зрения связаны только лишь с нецентральной фиксацией.

Пальминг

Бейтс предполагал, что закрытие глаз на несколько минут помогает снять их напряжение. Он верил, что этому способствует наложение рук на закрытые глаза без давления. Бейтс считал, что, поскольку мы полностью закрываем глаза, можем увидеть очень черное поле – настолько черное, что такого цвета никогда больше не видели. Он описывал, что многие пациенты видят свет, цвета и всякие калейдоскопические картинки, которые характеризуют зрительное напряжение.

Фактически даже в полной темноте глаза не видят идеально черного цвета, потому что нейроны сетчатки испускают импульсы, которые выливаются в фоновое свечение. Это феномен, известный как dark light.

Санинг

Бейтс считал, что абсолютно здоровые глаза могут смотреть прямо на солнце без какого-либо вреда, и потому его свет способен лечить заболевания глаз. Он приводил примеры людей, якобы исцелившихся после таких сеансов.

По словам Бейтса, как неподготовленный человек не может сразу бежать марафон, так никто не может сразу начать смотреть на солнце. Впоследствии он отказался от прямого взгляда на солнце и решил, что достаточно направлять свет на белую оболочку глаза. В последующих его трудах рекомендации смотреть открытыми глазами на солнце встречались все реже.

Система Бейтса никогда не была обоснована и подтверждена научно. Многие исследования не показали каких-либо улучшений на фоне проводимой терапии, однако эта методика оставалась и по сей день остается одной из самых популярных наряду с гомеопатией, рефлексотерапией и остеопатией и имеет много поклонников по всему миру.

Глазные тренажеры

Глазные тренажеры для лечения прогрессирующей миопии и дальнозоркости есть в кабинетах охраны зрения, многие можно купить на китайских сайтах. Все, что сказано о гимнастике, можно отнести и к глазным тренажерам. Отдельным пунктом стоит теория, что тренажеры улучшают кровоток в цилиарной мышце и глаз начинает работать лучше. Такие мысли не нашли подтверждений в исследованиях, и «улучшение кровоснабжения мышцы» не используется в мировой офтальмологической практике.

Вообще хочется отметить, что тренажеры, физиотерапия часто практикуются только офтальмологами стран бывшего СССР и ввиду сомнительной эффективности практически не применяются в США и Европе. Физиотерапия как воздействие на глаз и окружающие ткани имеет ограниченное применение в офтальмологии. Я могу вспомнить только использование тепла при застое секрета в мейбомиевых железах век. В остальных случаях – при миопии, гиперметропии, заболеваниях сетчатки и зрительного нерва – физиотерапевтическое лечение всегда сомнительно. Я пишу об этом потому, что, к сожалению, часто встречаю назначение моим пациентам такого типа лечения.

Остеопатия в офтальмологии

Часто родители считают, с косоглазием надо обращаться к остеопату. В большинстве случаев у косоглазия есть причины, воздействие на которые – сфера деятельности офтальмолога. Такие диагнозы, как дальнозоркость, близорукость, астигматизм, амблиопия, могут быть поставлены только теми, кто владеет навыками выявления и коррекции этих состояний, то есть офтальмологами или оптометристами, они и должны решать, что с ними делать.

Нет убедительных данных о том, что остеопатия эффективна в лечении косоглазия и каких-либо глазных болезней. В PubMed[19] есть статья о том, что остеопатия и краниотерапия могут быть эффективны в каких-то ситуациях, влияя на поля зрения, однако сами авторы не уверены в этом и призывают к дальнейшим исследованиям. Несколько личных сайтов остеопатов в Сети указывают, что у них есть случаи остеопатического лечения косоглазия с положительным исходом. В понимании остеопатов косоглазие есть косоглазие – не нужна лишняя информация о рефракции и амблиопии, в чем и состоит суть диагноза. Иными словами, если даже каким-то мистическим способом глаза ребенка встанут ровно, чему я видел ноль примеров, радоваться рано, ведь никто не обратил внимания на функции и рефракцию. Можно провести аналогию с изготовлением телефонного аппарата стариком Хоттабычем: когда Волька ибн Алеша захотел иметь телефон, чтобы не стоять в очереди позвонить, Хоттабыч сделал его из чистого мрамора. Хоттабыч не понимал, как он работает и что внутри, он просто сделал нечто в форме телефона. Это очень похоже на описание косоглазия остеопатами: родовые травмы, позвонки, кто-то что-то не так потянул, но ни слова про рефракцию, коррекцию, амблиопию и вообще по сути. Те «хорошие» случаи исцеления от косоглазия объяснялись какими-то изменениями в шее, в голове, на которые остеопаты воздействовали и рекомендовали гимнастику. Другие источники указывают, что косоглазие – это дисбаланс мышц, возможно связанный с асимметрией костей черепа, при которых полезна краниальная остеопатия. Мне интересно в таких случаях спросить, что было со зрением у этих детей, каковы были острота и рефракция, ведь на них не проводилось никакого воздействия.

В настоящее время в большинстве случаев остеопатия не относится к методам лечения с хорошей доказательной базой. Как правило, в литературе упоминается хороший эффект при лечении болей в спине, а вот в отношении мигрени, боли в шее и коленках уже есть сомнения. Эффективность в некоторых случаях схожа с методами, используемыми мануальными терапевтами, или плацебо.

Лечение косоглазия всегда требует терпения от родителей. Часто они ищут альтернативные методы. Я надеюсь, мое мнение поможет разобраться и не тратить время и средства на то, что не нужно ребенку.

Витамины

Излюбленная тема родителей детей с заболеванием глаз – витамины. Это ужасная идея, она никогда уже не покинет умы обывателя. Идея, что для улучшения работы чего-либо в организме нужны витамины, иногда еще и черника. В широком смысле идея заключается в том, что надо что-то есть, чтобы не болеть так выраженно. Если близорукость, то витамины, если дальнозоркость, тоже витамины, что бы ни случилось – витамины, ну и конечно, черника с морковкой.

А ведь витамины нужны только тогда, когда есть доказанные случаи авитаминоза. В современном мире это случается крайне редко. Использование поливитаминов бессмысленно всегда.

То же самое можно сказать и о приеме препаратов черники.

Несмотря на то, что многими уважаемыми врачами поддерживается тактика назначения антиоксидантов при некоторых случаях дистрофии сетчатки, я не стал бы заявлять, что это эффективная терапия, скорее, выраженный эффект достигается изменением диеты.

Как сохранить хорошее зрение на долгие годы

• Около 1,3 млрд людей на Земле живут с каким-то видом нарушения зрения.

• Лидирующая причина нарушения зрения – аномалии оптики и катаракта.

• Около 80 % проблем со зрением на сегодняшний момент решаемы.

• Большинство людей с нарушениями зрения – старше 50 лет.

Глобальные причины нарушения зрения в мире по степени распространенности:

• Некорректированные аномалии рефракции.

• Катаракта.

• Возрастная дегенерация сетчатки.

• Глаукома.

• Диабетическая ретинопатия.

• Нарушение прозрачности роговицы.

• Трахома.

В разных странах позиции в этом рейтинге меняются по степени распространенности. Например, распространенность снижения зрения из-за катаракты выше в странах с низкими доходами у населения, в странах с хорошими доходами наиболее вероятны диабетическая ретинопатия и возрастная дегенерация сетчатки.

Среди детей в странах с высоким уровнем дохода наиболее распространена ретинопатия недоношенных, а в странах с низким уровнем – врожденная катаракта. Около 80 % всех причин снижения зрения можно избежать. Есть эффективные методы, которые могут решить проблемы. Например, близорукость или дальнозоркость можно исправить очками или операцией, хирургическое лечение катаракты также высокоэффективно.