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.
