Коротка історія очі

Коли і як з'явився очей? Ось уже друге століття біологи сперечаються про походження зору. Одні - слідом за Чарлзом Дарвіном - вважають, що все різноманітні органи зору, що зустрічаються нами у тварин, можна звести до одного-єдиного прототипу: свого роду "первоглазу". Їх опоненти вважають, що всі ці органи виникали незалежно одна від одної. Хто ж правий? Лише в останні роки таємниця потроху розкривається - завдяки новим математичним моделям і відкриттів генетиків.

Евглена, стань людиною!

В принципі, всі органи зору призначені для того, щоб захоплювати окремі частинки світла - фотони. Цілком можливо, що ще в докембрійський період жили організми, здатні сприймати світло. Це могли бути і багатоклітинні істоти, і одноклітинні. Однак перше відоме нам тварина, наділена зором, з'явилося близько 540 мільйонів років тому. А всього через сто мільйонів років, в ордовикском періоді, вже існували всі відомі нам сьогодні типи органів зору. Нам залишається лише правильно розставити їх, щоб зрозуміти їх еволюцію.

У одноклітинних тварин - наприклад, евглени зеленої - є лише світлочутливе пляма: "око". Воно розрізняє світло, що життєво важливо для тієї ж евглени, адже без енергії світла в її організмі не може протікати фотосинтез, а отже, не утворюються органічні речовини. До появи цієї органели - вічка - одноклітинні тварини хаотично снували в товщі води, поки випадково не потрапляли на світло. Евглена ж завжди пливе тільки на світло.

У перших багатоклітинних тварин органи зору були вкрай примітивні. Так, у багатьох морських зірок по всій поверхні тіла розкидані окремі світлочутливі клітини. Ці тварини здатні лише розрізняти світле і темне. Помітивши пропливаючу тінь - хижак? - вони поспішають заритися в пісок.

У деяких тварин світлочутливі клітини групувалися у вигляді "очного плями". Тепер можна було, нехай і дуже приблизно, оцінити, з якого боку рухався хижак. Понад п'ятсот мільйонів років назад очні плями з'являються у медуз. Цей орган зору дозволяв їм орієнтуватися в просторі, і медузи заселяють відкрите море. Дощовим черв'якам подібні плями допомагають ховатися від світла в землі.

Наступний щабель еволюції очі демонструють війчасті черви. У передній частині їх тіла є два симетричних плями: в кожному з них до тисячі світлочутливих клітин. Ці плями наполовину занурені в пігментну чашку. Світло падає лише на верхню половину плям, не закриту пігментом, і це дозволяє тварині визначити, де знаходиться джерело світла. При бажанні можна назвати війкового хробака "твариною з двома очима".

Поступово очне пляма ще глибше вдавлюють в епітелій. Утворився жолобок - "очної келих". Подібним органом зору мають, наприклад, річкові равлики. Його чутливість помітно залежить від напрямку погляду. Однак равлик бачить все навколо себе розпливчастим, немов дивиться крізь матове скло.

Гострота зору підвищувалася в міру того, як звужувалося зовнішній отвір очі. Так з'явився очей з точковим зіницею, що нагадував камеру-обскуру. Їм дивиться на світ молюск Наутілус, родич давно вимерлих амонітів. Товщина очі у наутилуса - близько сантиметра. На його сітківці є до чотирьох мільйонів світлочутливих клітин. Однак цей орган зору вловлює занадто мало світла. Тому світ для наутилуса виглядає похмуро.

Отже, на якомусь етапі еволюція привела до появи двох різних органів зору. Один - назвемо його "око оптиміста" - дозволяв бачити все в світлих фарбах, але обриси предметів були неясними, неясними, розпливчастими. Інший - "око песиміста" - бачив все в чорних тонах; світ здавався грубим, зламані, різко окресленим. Саме від нього і відбувається наш людське око.

Пізніше над зіницею наростає прозора плівка; вона захищає його від попадання бруду і в той же час змінює його здатність заломлення. Тепер все більше частинок світла потрапляє всередину очі, до його світлочутливим клітинам. Так виникає перший примітивний кришталик. Він фокусує світло. Чим більше кришталик, тим гостріше зір. Для власника цього органа зору - а саме він і називається "оком" - навколишній світ стає яскравим і виразним.

Око виявився таким досконалим органом зору, що природа "винайшла" його двічі: він з'явився у головоногих молюсків, а пізніше у нас, хребетних, причому в обох груп тварин виглядає він по-різному, та й розвивається з різних тканин: у молюсків - з епітелію, а у людини сітківка і склоподібне тіло виникають з нервової тканини, а кришталик і рогівка - з епітелію.

Додамо, що у комах, трилобітів, ракоподібних і деяких інших безхребетних тварин сформувався складний - фасеточний - очей. Він складався з безлічі окремих вічок - омматідіев. Око бабки містить, наприклад, до тридцяти тисяч таких очок.

Тут впору зробити замітку на полях. У своїй книзі "Походження видів шляхом природного відбору" Чарлз Дарвін назвав очей "органом надзвичайного досконалості і складності", і саме це привело його в замішання. Невже "дзеркало світу", яке ми незмінно носимо з собою, виникло з клаптика шкіри з вкраплених в нього світлочутливими клітинами - на зразок тих, якими наділений дощовий черв'як? Дарвін визнавався, що ця гіпотеза здавалася йому "надзвичайно абсурдною". А противники еволюційної теорії донині наводять як приклад саме око - невідповідність його законам еволюції. Хіба може - по чистій випадковості - шкірка перетворитися в дуже складний орган почуттів?

Однак вони не праві. Так, глянувши на кілька паличок, накреслених для рахунку дикуном, і, перевівши погляд на найскладніші рівняння вищої математики, насилу уявляєш, що "одне сталося з іншого шляхом довгої еволюції". Але це саме так. Ось і в природі, оглянувши її володіння, ми відшукали володарів найрізноманітніших органів зору. Вони допомогли нам, нехай дуже схематично, зрозуміти, як розвивалося зір, як народжувалися все нові його органи. Що ж додають в цю схему недавні дослідження?

Півмільйона років на всю еволюцію?

Шведські біологи Дан-Ерік Нільсон і Сюзанна Пелгер з Лундського університету змоделювали на комп'ютері історію еволюції ока. У цій моделі все почалося з появи тонкого шару клітин, чутливих до світла. Над ним лежала прозора тканина, крізь яку проникав світло; під ним - непрозорий шар тканини.

Окремі, незначні мутації могли змінювати, наприклад, товщину прозорого шару або кривизну світлочутливого шару. Вони відбувалися випадково. Вчені лише внесли в свою математичну модель правило: якщо мутація покращувала якість зображення хоча б на один відсоток, то вона закріплювалася в наступних поколіннях.

Людське око влаштований дуже складно: 1 - райдужна оболонка; 2 - зіниця; 3 - кришталик; 4 - сітківка; 5 - область найбільш гострого зору; 6 - сліпа пляма; 7 - кровоносну судину; 8 - зоровий нерв.

Зрештою, "зорова плівка" перетворилася в "бульбашка", заповнений прозорим холодцем, а потім і в "риб'яче око", забезпечений справжнім кришталиком. Нільсон і Пелгер спробували оцінити, скільки часу могла тривати подібна еволюція, причому вони вибрали найгірший, найповільніший варіант розвитку. Все одно результат виявився сенсаційним. Коротка історія очі налічувала всього ... трохи більше півмільйона років - сущий мить для планети. За цей час змінилося 364 тисячі поколінь тварин, наділених різними проміжними типами органів зору. Шляхом природного відбору природа "перевірила" всі ці форми і вибрала кращу - очей з кришталиком.

Завдання, як з'ясувалося, була з легких.

Подібна модель наочно доводить, що як тільки перші примітивні організми відкрили саму можливість "запам'ятовувати" світ - моментально копіювати одним зі своїх органів прихильність оточуючих предметів і їх форму, - тут же цей орган почав удосконалюватися, поки не досяг вищої форми розвитку. Історія очі, справді, виявилася короткою; вона була "блискавичної війною" за можливість "бачити все в правдивому світлі". У переможців значаться всі - і людина, і риби, і комахи, і равлики, і навіть Евглена, часом трохи краще нас, "амбівалентні", розрізняє, де чорне, а де біле.

Ця математична модель, а також генетичні відкриття переконують нас в тому, що відмінності між відомими типами органів зору не такі великі, як здавалося раніше. "Ми переконалися, - зазначає німецький біолог Крістоф Кампенхаузен, - що різні типи органів зору виникають через незначних змін в геномі: одні гени активізуються, інші відключаються".

Так, німецький біолог Вальтер Герінг з'ясував, що ген під назвою Pax-6 формує органи зору у людини, мишей і плодових мушок дрозофіл. Якщо він має дефект, очей не розвивається зовсім або залишається в зародковому вигляді. У свою чергу, при встановленні гена Pax-6 в певні ділянки геному у тварини з'являлися додаткові очі.

Досліди показали, що ген Pax-6 відповідає лише за розвиток органів зору, а не за їх тип. Так, за допомогою гена, що належав миші, вчений запускав механізм розвитку очей у дрозофіл, причому у них з'являлися додаткові органи зору - теж фасеточні - на ногах, крилах і вусиках. "З їх допомогою комахи також могли сприймати світло, - зазначає Вальтер Герінг, - адже нервові закінчення тяглися від додаткових органів зору до відповідної ділянки головного мозку".

Пізніше той же генетик зумів виростити на голові жаби додаткові очі, маніпулюючи геном Pax-6, узятим у дрозофіли. Його колеги виявили той же самий ген у жаб, щурів, перепелів, курей і морських їжаків. Дослідження гена Pax-6 показує, що всі відомі нам типи органів зору могли виникнути завдяки генетичних мутацій одного і того ж "первоглаза".

Втім, є й інші думки. Адже, наприклад, у медуз немає гена Pax-6, хоча органи зору є. Можливо, цей ген лише на якомусь етапі еволюції став керувати розвитком зорового апарату. Ось що каже з цього приводу Д.-Е. Нільсон: "У найпростіших організмів ген Pax-6 відповідає за формування передньої частини тіла, а оскільки вона найкраще пристосована для розміщення тут органів почуттів, цей ген пізніше став відповідати і за розвиток органів зору".

Подальше відомо. Минуло сто мільйонів років, а, може бути, п'ятдесят, а, може, ще менше ... Або навіть всього півмільйона років! Ну, про це ми говорили, і наші очі - дар древніх одноклітинних? - підтвердять, що сторінкою вище про це написано "чорним по білому". Треба тільки вдивитися!

Як тварини бачать світ?

Як виглядає світ? Для кожної живої істоти по-різному! Для мишеняти, як і для нас, помідори палахкотять апетитним червоним кольором. Для кішки, байдужою до них, це - сумно-сірі нарости, порошаться серед листя. Хіба їх можна їсти?

Чому для кішки все навколо сіро?

Із заходом сонця блякнуть всі фарби. Недарма старовинна мудрість говорить: "Вночі всі кішки сірі". У беззвёздной темряві тануть і розпливаються обриси рук, не бачиш коробок сірників, піднесений до очей ... Де вже розглянути кішок, крадуться в придорожніх кущах? Зате їм ми видно, як на долоні.

Кішки, як і будь-які хижаки, що ведуть нічний спосіб життя, добре бачать в темний час доби. У темряві їх зіниці помітно розширюються, досягаючи діаметру 14 міліметрів. У людини діаметр зіниці не перевищує восьми міліметрів. Значить, кішці потрібно набагато менше світла, ніж людині, щоб розрізняти предмети та інших тварин.

Крім того, очей кішки влаштований по-іншому. У його глибині, за сітківкою, є особливий шар, що відображає - Tapetum lucidum. Він відкидає світло, що потрапляє кішці в очі. Ось чому очі кішки світяться в темряві жовтим або зеленим. Завдяки цій особливості зорові клітини, розташовані на сітківці її очей, отримують удвічі більше світла.

У літній день, коли все залито яскравим світлом, зіниці кішки різко звужуються, перетворюючись в тонкі щілинки. Адже велика кількість світла може пошкодити чутливі клітини сітківки. Так що очі кішки добре захищені від прямих сонячних променів. Ось чому її родичі - гепард, каракал, манул - живуть і полюють в пустелі.

В оці людини є два види світлочутливих клітин: палички і колбочки. Палички розрізняють темне і світле. Завдяки їм ми хоч щось бачимо ночами. Колбочки сприймають колір. У кішки - ті ж два види клітин. Ось тільки, якщо у людини на одну колбу доводяться чотири палички, то у мугикаючи - за рибу гроші! Ось чому кішки набагато гірше нас бачать кольору. Так, червоний колір зовсім недоступний ім. Світ кішки виглядає бляклим і блідим. Наукова мудрість говорить: "Вдень все навколо кішки сіро". Лише окремі кольори - наприклад, блакитний - скрашують її кругозір.

Справді, навіщо кішці переливи барв? Її споконвічна видобуток - миша чи горобець - однаково їстівна, якими б фарбами їй ні розписала пір'ячко і шерсть Природа. Та й немає того вибору фарб: переважають сірі і коричневі тони.

А ось для людини, як і для миші, колірний зір часто буває рятівною. Червоний помідор можна їсти; зелений неїстівний. Золотисте зерно достигло; зелене немає.

Що бачать бджоли похмурим днем?

Бджоли, як і кішки, не помічають червоний колір: він для них все одно, що чорний. Ботаніки вже давно звернули увагу на те, що в природі порівняно рідко зустрічаються червоні квіти, та й їх запилюють метелики. Виявляється, для бджіл привабливі білі, жовті і блакитні тони. Однак їх світ розфарбований інакше, ніж наш.