История зрения: путь от светочувствительности до глаза

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).