Эволюция органа зрения

Глаз человека

Не смотря на анатомически простой вид, человеческий глаз является невероятно сложной структурой. Даже в наше время, когда накоплено большое количество научных знаний, вся полнота сложности человеческого глаза по-прежнему нуждается в объяснении. Кажется, что чем больше мы ее изучаем, тем большее удивление вызывает эта сложность, представлявшаяся ранее нам такой ясной и доступной, но сейчас, на новом витке научного познания, остающаяся как никогда непостижимой.

Мысль о том, что живые существа меняются с течением времени, высказывалась многими задолго до Чарльза Дарвина. Среди ранних эволюционистов был не только Ламарк, но и дед Дарвина - Эразм. Однако эти идеи не могли стать господствующими в науке, так как за ними не стояло рационалистического объяснения механизма эволюции. Ламарк постулировал некое вложенное во все живое стремление к совершенству - особую сущность, которую он называл принципом градации. Дарвин же нашел механистическое объяснение процессу изменения органического мира, и оно оказалось очень простым и понятным образованной публике того времени - естественный отбор (natural selection).

Имеется много документальных подтверждений того, что Дарвин был поражен сложностью глаза, несмотря на то, что по сравнению с современной наукой, у него было мало знаний. И все же, хотя он не мог объяснить, как именно это происходило, он верил, что такая удивительная сложность могла развиваться путем естественного процесса эволюции. Очень маленькие изменения, отобранные в качестве преимущественных, могли передаваться и увеличиваться на протяжении многих поколений для того, чтобы создать основное чудо сложности как человеческий глаз.

Очевидно, что Дарвин не был сумасшедшим. Он предложил свою теорию эволюции, и его основные объяснения касательно постепенного развития сложных структур, таких как глаза, убедили большинство современных исследователей. Итак, что именно он предложил для объяснения сложности таких структур, как человеческий глаз? Рассмотрите следующую цитату Дарвина:

Разум говорит мне, что если бы могли происходить постепенные переходы от простого несовершенного глаза к сложному и совершенному, то каждый уровень перехода был бы полезным для его обладателя, как это и есть. Если далее глаз непрерывно изменяется, и эти изменения наследуются, что также соответствует действительности, и если бы такие изменения были полезны для любого животного при изменяющихся условиях жизни, тогда трудность поверить в то, что совершенный и сложный глаз мог быть создан путем естественного отбора, хоть это и непостижимо для нашего воображения, не рассматривалась бы как ниспровергающая теорию.

Дарвин не был в состоянии дать объяснение тому, что происходило в реальности, но он предложил последовательную эволюцию человеческого глаза, приводя примеры различий в глазах других существ, которые казались менее сложными. Эти различия были расположены в последовательном порядке в прогрессии: от наиболее простых до наиболее сложных глаз. Появилось большое количество посредников, которые соединяли один тип глаза с другим в эволюционной шкале.

Некоторые из "наиболее простых" глаз - это ни что иное, как просто пятно из небольшого количества светочувствительных клеток, объединенных вместе. Такой тип глаза годится только для различения света от тьмы. Он не может определять изображения. Начиная от такого простого глаза, Дарвин продолжал демонстрировать существа с последовательно более сложными глазами, пока не была достигнута сложность человеческого глаза.

Определенно, такой сценарий кажется рациональным. Тем не менее, многие из теорий, которые изначально казались на бумаге целесообразными, вскоре были опровергнуты. Такие теории требуют прямого экспериментального доказательства для своей поддержки, прежде чем их примут в качестве "научных". Неужели сложные структуры, такие как глаза, действительно эволюционировали в реальной жизни? Не существует документального подтверждения, что у кого-то эволюционировал глаз, или хотя бы глазное пятно, с помощью любого механизма отбора в существе, у которого раньше не было глаз. Также, нет документального свидетельства в пользу эволюции одного типа глаз в другой тип в любом существе, никакая эволюция глаз вообще никогда не наблюдалась. Конечно, доводом является то, что для такой эволюции необходимо тысячи или миллионы лет. Возможно и так, но без возможности наблюдения и испытания, такие предположения, хотя и целесообразные, должны содержать большую степень веры.

Необходимая вера в такой сценарий увеличивается еще больше, когда принимается во внимание тот факт, что даже простое светочувствительное пятно является чрезвычайно сложным, вовлекая большое количество специальных протеинов и белковых систем. Эти протеины и системы интегрированы таким способом, что если хотя бы что-то одно отсутствовало, то зрение прекратилось бы. Другими словами, чтобы такое чудо как зрение произошло даже в светочувствительном пятне, много различных протеинов и систем должны были эволюционировать одновременно, поскольку без них не было бы зрения.

Переход 11-цис-ретиналя в транс-ретинальНапример, первый шаг в зрении - это обнаружение фотонов. Для того чтобы уловить фотон, специализированные клетки используют молекулу, которая называется "11-цис-ретиналь". Когда фотон света взаимодействует с этой молекулой, он почти мгновенно изменяет ее форму. Эта форма теперь называется "транс-ретиналь". Такое изменение приводит к изменению формы другой молекулы, которая называется родопсином (rhodopsin). Новая форма родопсина называется метародопсином II (metarhodopsin II). Метародопсин ІІ далее присоединяется к другому протеину, трансдусину (transducin), заставляя его отпустить присоединенную молекулу, которая называется GDP, и подобрать другую молекулу, GTP.

Молекула GTP-трансдусин-метародопсин II присоединяется к другому протеину, который называется фосфодиэстераза. Когда это происходит, фосфодиэстераза расщепляет молекулы, которые называются cGMPs. Это расщепление cGMPs уменьшает их относительное количество в клетке. Такое уменьшение cGMPs воспринимается ионным каналом. Этот ионный канал закрывается и не дает иону натрия проникать в клетку. Это блокирование проникновения натрия в клетку является причиной нарушения баланса заряда вдоль мембраны клетки. Это нарушение равновесия заряда посылает электрический ток в мозг. Потом мозг интерпретирует этот сигнал, а результат называется зрением. Необходимо много других протеинов, чтобы вернуть протеины и другие упоминавшиеся молекулы назад к их первоначальным формам, чтобы они могли уловить другой фотон света и дать сигнал мозгу. Если какой-нибудь из этих протеинов или молекул отсутствует, даже в наиболее простой глазной системе, зрение не состоится.

Конечно, возникает вопрос, как могла такая система постепенно эволюционировать?

Все части должны находиться на месте одновременно. Например, какую пользу извлек бы червь, не имеющий глаз, эволюционировав неожиданно протеин 11-цис-ретиналь в маленькой группе или "пятне" клеток на голове? Такие клетки могут определять фотоны, но что из этого? Какая польза в этом для червя?

Теперь, предположим, что эти клетки развили каким-то образом все необходимые протеины, чтобы активизировать электрический заряд сквозь свои мембраны в ответ на фотон света, который падает на них. Ну и что? Какая польза из того, что они имеют возможность установить электрический потенциал на своих мембранах, если не существует нервного пути к мозгу червя? Что бы было, если бы этот путь внезапно эволюционировал, и такой сигнал мог бы посылаться в мозг червя. И что из этого? Каким образом червь собирается узнать, что делать с этим сигналом? Он должен будет научиться понимать, что означает этот сигнал. Изучение и интерпретация являются очень сложными процессами, вовлекающими много разных протеинов в других уникальных системах. Теперь червь в течение своей жизни должен эволюционировать возможность передать эту способность своим потомкам. Если он не передаст эту способность, то потомок должен будет научиться сам, в противном же случае зрение не даст ему никакого преимущества.

Все эти прекрасные процессы требуют регулирования. Никакая из функций не может быть полезной, пока она не будет регулироваться (включаться и выключаться). Если светочувствительные клетки не могут выключаться, когда они включены, зрение может и не состоятся. Такая способность к регулированию тоже чрезвычайно сложна, и в нее вовлекается множество протеинов и других молекул, при этом чтобы зрение принесло пользу, все они должны находиться на своем месте... изначально.

Но, что если мы не станем объяснять происхождение первого, чувствительного к свету "пятна". Эволюция более сложных глаз, с такой точки зрения, представляется простой, не так ли? Не совсем.

Дело в том, что для каждого из различных компонентов требуется наличие уникальных протеинов, выполняющих специфические функции, которые должны быть закодированы уникальным геном в ДНК этого существа. Ни гены, ни протеины, которые они кодируют, не функционируют самостоятельно. Существование уникального гена или протеина означает, что вовлекается уникальная система других генов или протеинов со своей функцией. В такой системе отсутствие хотя бы одного системного гена, протеина или молекулы означает, что целая система становиться нефункциональной. Принимая во внимание тот факт, что эволюция одного гена или протеина никогда не наблюдалась и не воспроизводилась в лабораторных условиях, такие, на первый взгляд незначительные различия, внезапно становятся очень важными и огромными.

Дефекты дизайна

А как насчет "дефектов дизайна" в человеческом глазе? Существует известный аргумент в пользу эволюции, что интеллектуальный дизайнер ничего не создавал бы с дефектами. Эволюция, с другой стороны, будучи естественным процессом проб и ошибок, легко объясняет существование дефектов в природном мире. Хотя многих это доказательство убедило, оно само по себе предполагает мотивы и возможности дизайнера. Говорить, что все созданное должно соответствовать нашим индивидуальным убеждениям о совершенстве, перед тем как мы сможем определить дизайн, вводит в заблуждение.

Другая проблема выявления дефектов дизайна в природе заключается в том, что нам не известна вся информация, которую необходимо знать. То, что нам изначально кажется дефектом дизайна, может оказаться преимуществом, как только мы больше узнаем о потребностях определенной системы или существа. В любом случае, давайте детальнее рассмотрим предполагаемые дефекты дизайна человеческого глаза. В своей книге 1986 года, "Слепой часовщик", известный биолог-эволюционист Ричард Доукинс выдвигает это аргумент дефекта в дизайне глазе человека:

Любой инженер естественно предположил бы, что фотоэлементы будут направлены к свету, а их провода будут направленными обратно к мозгу. Он высмеивал бы любое предположение, что фотоэлементы могут быть направленными от света, а их провода, остались на стороне, наиболее близко расположенной к этому свету. И все же, точно так это происходит во всех сетчатках позвоночных. Каждый фотоэлемент, в действительности, подключен "задом наперед", а его провод торчит в сторону, наиболее близкой к свету. Провод должен двигаться по поверхности сетчатки к месту, где он проходит через отверстие в сетчатке (так называемое "слепое пятно"), чтобы затем присоединиться к оптическому нерву. Это означает, что свет, вместо того чтобы без препятствий проходить к фотоэлементам, должен преодолеть массу соединенных проводов, и, по-видимому, испытывает некоторое ослабление и искажение (фактически, не очень большое, но, тем не менее, это является принципом, который оскорбил бы любого мыслящего инженера). Я не ожидаю точного объяснения этого странного положения дел. Соответствующий период эволюции произошел так давно.

Доказательство Доукинса, определенно, кажется интуитивным. Проблема Доукинса не в обосновании интуицией, а скорее в недостатке проверки его гипотезы. Она может казаться сколь угодно обоснованной до тех пор, пока Доукинс не будет иметь возможности проверить свои предположения, чтобы в действительности увидеть насколько "перевернутая" конструкция сетчатки лучше "неперевернутой" для потребностей человека. Эта гипотеза остается непроверенной, и поэтому не поддерживается научным методом. Кроме этой проблемы существует еще одна: даже если бы Доукинс доказал с научной стороны, что перевернутая сетчатка на самом деле более необходима для человеческого зрения, это все еще не опровергло бы дизайн с научной точки зрения. 

Сила теории дизайна остается не в ее возможности проявлять совершенство в дизайне, а в ее возможности указывать на статистическую невозможность натуралистического метода для объяснения сложности жизни, которая очевидна в такой структуре, как человеческий глаз. Предполагаемые дефекты не устраняют этого статистического вызова эволюционным теориям. Ошибка Доукинса заключается в предположении, что размышления, знания и мотивация всех дизайнеров похожи на его размышления, знания и мотивацию. Проблемы Доукинса далее обостряются его собственным признанием, что перевернутая сетчатка прекрасно функционирует. Его аргумент обсуждает не технические неисправности перевернутой сетчатки, а касается эстетики. Перевернутая сетчатка не кажется ему правильной, не смотря на тот факт, что она используется животными, обладающими наиболее острыми в мире зрительными системами (формирующими изображение).

Неперевернутая против перевернутой

Наиболее развитые неперевернутые сетчатки в мире принадлежат осьминогу и кальмару (головоногим). Средняя сетчатка осьминога содержит 20 миллионов клеток-фоторецепторов. Средняя человеческая сетчатка содержит примерно 126 миллионов клеток-фоторецепторов. Это ничто по сравнению с птицами, у которых в 10 раз больше фоторецепторов и в 2-5 раз больше колбочек, чем у людей. 

В сетчатке глаза человека есть место, которое называется "центральной ямкой". Ямка является центральным местом в центральной части человеческой сетчатки, называемой пятном. В этой области у людей намного большая концентрация фоторецепторов, особенно колбочек. Также, кровяные сосуды, нервные и ганглиозные клетки расположены в ней таким образом, что они не размещаются между источником света и клетками фоторецепторов, тем самым, устраняя даже эту незначительную помеху непосредственному проходу света. Это создает область высокой визуальной резкости с уменьшением визуальной резкости к периферии человеческой сетчатки.

Колбочки в пятне (и в любом другом месте) также имеют пропорцию 1:1 по отношению к ганглиозным клеткам. Ганглиозные клетки помогают предварительно обрабатывать информацию, полученную от фоторецепторов сетчатки. Что касается палочек сетчатки, одна ганглиозная клетка получает информацию от множества, даже сотен клеток-палочек, но с колбочками, наибольшая концентрация которых находится в пятне, дело обстоит по-другому. Пятно обеспечивает информацию, необходимую для максимальной детализации изображения и, полученная с помощью периферийных участков сетчатки информация помогает обеспечивать как пространственную, так и контекстуальную информацию. По сравнению с периферией, пятно в 100 раз более чувствительно к мельчайшим деталям, чем остальная часть сетчатки. Это дает возможность человеческому глазу фокусироваться на определенном участке в поле зрения, не будучи сильно отвлеченным периферийным зрением.

Сетчатки птиц, с другой стороны, не имеют пятна или ямки, расположенных центрально. Зрительная резкость равна во всех областях. Сетчатки осьминога также не имеют центрально расположенной ямки, но у них есть то, что называется линейным централисом. Он формирует диапазон высшей резкости горизонтально вдоль сетчатки осьминога. Уникальной особенностью глаз осьминога является то, что, не смотря на положение их тела, их глаза всегда поддерживают одну и ту же позицию относительно гравитационного поля Земли, используя орган равновесия статоцист.

Причина этого кроется в том факте, что в сетчатке осьминога размещены определения горизонтальных и вертикальных проекции в полях их зрения. Это предвиденный способ оценивания горизонтальности и вертикальности. Осьминоги используют данную способность не для создания изображения, как это делают позвоночные, а для того, чтобы замечать модели движений. Интересно то, что, не зависимо от формы объекта, осьминог отвечает на конкретные движения, похожие на движения жертвы, так как если бы это действительно была жертва. Тем не менее, если их обычная жертва не двигается, осьминог не реагирует на отсутствие движения. В этом аспекте, зрение осьминога похоже на сложные глаза насекомых.

В действительности, глаз осьминога рассматривается, как сложный глаз с единственной линзой. В некоторых других отношениях, он также более простой в процессе обработки информации, чем глаз позвоночных. Фоторецепторы состоят только из палочек, и информация, передаваемая ими, не проходит сквозь какой-нибудь вид периферийной обработки ганглиозными клетками. Глаза осьминога устроены не для того, чтобы воспринимать мельчайшие детали, но для восприятия схем и способов движения, устраняя, таким образом, потребность в очень высокой обработке, которая наблюдается в глазах человека и позвоночных.

Высокая мощность обработки в человеческом глазе и в глазах других позвоночных не дешева. Она очень дорогая, и тело платит высокую цену за поддержку такого высокого уровня определения и силы обработки. Сетчатка имеет наивысшие из всех тканей тела потребности в энергии и показатели метаболизма веществ. Потребление кислорода человеческой сетчаткой (на грамм ткани) на 50% больше, чем печени, на 300% больше, чем коры головного мозга и на 600% больше миокарда (сердечной мышцы). Но это средний показатель метаболизма кислорода для сетчатки в целом. Отдельно же взятый слой клеток-фоторецепторов имеет значительно больший показатель обмена веществ. Вся эта энергия должна поставляться быстро и в нужном количестве.

Непосредственно под каждым фоторецептором находится слой сосудистой оболочки глаза. Этот слой содержит густой капиллярный пласт, который называется сосудисто-капиллярным. Единственное, что отделяет капилляры от прямого контакта с фоторецепторами - это очень тонкий (как одна клетка) пигментный эпителий сетчатки (ПЭС). Эти капилляры намного больше средних, будучи 18-50 микронов в диаметре. Они обеспечивают огромное количество крови на грамм ткани и составляют 80% притока крови для всего глаза. С другой стороны, артерия сетчатки, которая проходит сквозь "слепое пятно" и распределяется вдоль внешней сетчатки, обеспечивая потребности нервного слоя, вносит только 5% всего снабжения крови сетчатке. Большая близость хороидального снабжения крови к клеткам фоторецепторов без лишней промежуточной ткани или пространства, такого, как нервы или ганглиозные клетки, (то есть, из неперевернутой системы) обеспечивает наиболее быструю и эффективную поставку жизненно-важных питательных веществ, и устраняет большое количество производимых отходов. Клетки, которые удаляют эти отходы и пополняют запасы некоторых необходимых элементов в фоторецепторах, - это клетки ПЭС.

Каждый день палочки и колбочки сбрасывают примерно 10% своих сегментированных дисков. Среднее число дисков у палочек составляет от 700 до 1000, у колбочек - 1000-1200. Это само по себе создает потребность в обмене веществ в клетках ПЭС, которые должны перерабатывать большое количество сброшенных дисков. К счастью, им не нужно далеко перемещаться, чтобы достичь клеток ПЭС, поскольку они обрушиваются с конца фоторецептора, который непосредственно контактирует со слоем клеток ПЭС. Если бы эти диски сбрасывались в обратном направлении (к линзам и роговице), то их высокий уровень сбрасывания, в результате, создал бы мрачное затемнение перед фоторецепторами, которое не очищалось бы настолько быстро, как это было бы необходимо для поддержания высокого уровня визуальной четкости.

Высокий уровень переработки поддерживает высокий уровень чувствительности фоторецепторов. Клетки ПЭС также содержат изомеразу ретинола (витамина А). Трансретинал должен превратиться обратно в 11-цисретинал в визуальном молекулярном каскаде. С помощью витамина А и ретинальной изомеразы клетки ПЭС способны выполнять эту задачу, перенося затем такие обновленные молекулы обратно к фоторецепторам. Интересно, что клетки ПЭС в сетчатках головоногих не имеют ретинальной изомеразы.Тем не менее, сетчатки всех позвоночных все же обладают этим важным энзимом. Описанные выше функции требуют большого количества энергии. И клетки ПЭС так же, как и клетки фоторецепторов, должны быть максимально приближены к хорошему кровяному снабжению, что и наблюдается в действительности.

Как подразумевает само их название, клетки ПЭС пигментированы очень темным черным цветом, который называется меланином. Меланин поглощает рассеивающийся свет, тем самым, предотвращая побочное отражение фотонов и косвенную активацию фоторецепторов. Это значительно помогает в создании четкого/резкого изображения на сетчатке. Для некоторых позвоночных, таких как, к примеру, кошка, существует отличающаяся система, у которой в наличии имеется отражающий слой, позволяющий лучше видеть в темноте (в шесть раз лучше, чем люди), но плохо в дневное время.

Итак, мы видим, что перевернутые сетчатки имеют, по крайней мере, минимальные, если не существенные преимущества, основанные на потребностях их владельцев. У нас также имеется доказательство, что наилучшие глаза в мире для определения изображения и его интерпретации - это всегда глаза с "перевернутой" сетчаткой, у которых есть ретинальная организация. Касательно недостатков в общем, то они не имеют практического значения по сравнению с соответствующими функциями. Даже Докинс признает, что это неудобство является в основном эстетическим. Рассмотрите следующее утверждение Докинса:

За одним исключением, фотоэлементы всех глаз, которые я успел проиллюстрировать, располагались спереди нервов, что соединяли их с мозгом. Это очевидно, но не универсально. Земляной червь, …предположительно, содержит свои фотоэлементы на неправильной стороне соединяющих нервов. То же делает и глаз позвоночных. Фотоэлементы направлены в обратную сторону от света. Это не так глупо как кажется. Поскольку они очень маленькие и прозрачные, то не столь важно, куда они направлены: большинство фотонов будут направляться прямо и затем проходить сквозь ряд помех, нагруженных пигментами, которые ждут, чтобы их поймать.

Эволюционная теория в примерах

В принципе, все органы зрения предназначены для того, чтобы захватывать отдельные частицы света - фотоны. Вполне возможно, что ещё в докембрийский период жили организмы, способные воспринимать свет. Это могли быть и многоклеточные существа, и одноклеточные. Однако первое известное нам животное, наделённое зрением, появилось около 540 миллионов лет назад. А всего через сто миллионов лет, в ордовикском периоде, уже существовали все известные нам сегодня типы органов зрения. Нам остаётся лишь правильно расставить их, чтобы понять их эволюцию.

У одноклеточных животных - например, эвглены зелёной - имеется лишь светочувствительное пятно: "глазок". Оно различает свет, что жизненно важно для той же эвглены, ведь без энергии света в её организме не может протекать фотосинтез, а значит, не образуются органические вещества. До появления этой органеллы - глазка - одноклеточные животные хаотично сновали в толще воды, пока случайно не попадали на свет. Эвглена же всегда плывёт только на свет.

У первых многоклеточных животных органы зрения были крайне примитивны. Так, у многих морских звёзд по всей поверхности тела разбросаны отдельные светочувствительные клетки. Эти животные способны лишь различать светлое и тёмное. Заметив проплывающую тень - хищник? - они спешат зарыться в песок.

У некоторых животных светочувствительные клетки группировались в виде "глазного пятна". Теперь можно было, пусть и очень приблизительно, оценить, с какой стороны двигался хищник. Более пятисот миллионов лет назад глазные пятна появляются у медуз. Этот орган зрения позволял им ориентироваться в пространстве, и медузы заселяют открытое море. Дождевым червям подобные пятна помогают скрываться от света в земле.

Следующую ступень эволюции глаза демонстрируют ресничные черви. В передней части их тела имеются два симметричных пятна: в каждом из них до тысячи светочувствительных клеток. Эти пятна наполовину погружены в пигментную чашку. Свет падает лишь на верхнюю половину пятен, не прикрытую пигментом, и это позволяет животному определить, где находится источник света. При желании можно назвать ресничного червя "животным с двумя глазами".

Постепенно глазное пятно ещё глубже вдавливалось в эпителий. Образовался желобок - "глазной бокал". Подобным органом зрения обладают, например, речные улитки. Его чувствительность заметно зависит от направления взгляда. Однако улитка видит всё вокруг себя расплывчатым, словно глядит сквозь матовое стекло.

Острота зрения повышалась по мере того, как сужалось наружное отверстие глаза. Так появился глаз с точечным зрачком, напоминавший камеру-обскуру. Им смотрит на мир моллюск наутилус, родич давно вымерших аммонитов. Толщина глаза у наутилуса - около сантиметра. На его сетчатке имеется до четырёх миллионов светочувствительных клеток. Однако этот орган зрения улавливает слишком мало света. Поэтому мир для наутилуса выглядит мрачно.

Итак, на каком-то этапе эволюция привела к появлению двух различных органов зрения. Один - назовём его "глаз оптимиста" - позволял видеть всё в светлых красках, но очертания предметов были смутными, неясными, расплывчатыми. Другой - "глаз пессимиста" - видел всё в чёрных тонах; мир казался грубым, изломанным, резко очерченным. Именно от него и происходит наш человеческий глаз.

Позднее над зрачком нарастает прозрачная плёнка; она защищает его от попадания грязи и в то же время меняет его преломляющую способность. Теперь всё больше частиц света попадает внутрь глаза, к его светочувствительным клеткам. Так возникает первый примитивный хрусталик. Он фокусирует свет. Чем больше хрусталик, тем острее зрение. Для обладателя такого органа зрения - а именно он и называется "глазом" - окружающий мир становится ярким и отчётливым.

Глаз оказался таким совершенным органом зрения, что природа "изобрела" его дважды: он появился у головоногих моллюсков, а позднее у нас, позвоночных, причём у обеих групп животных выглядит он по-разному, да и развивается из различных тканей: у моллюсков - из эпителия, а у человека сетчатка и стекловидное тело возникают из нервной ткани, а хрусталик и роговица - из эпителия.

Добавим, что у насекомых, трилобитов, ракообразных и некоторых других беспозвоночных животных сформировался сложный - фасеточный - глаз. Он состоял из множества отдельных глазков - омматидиев. Глаз стрекозы содержит, например, до тридцати тысяч таких глазков.

На все лишь полмиллиона лет

Шведские биологи Дан-Эрик Нильсон и Сюзанна Пелгер из Лундского университета смоделировали на компьютере историю эволюции глаза. В этой модели всё началось с появления тонкого слоя клеток, чувствительных к свету. Над ним лежала прозрачная ткань, сквозь которую проникал свет; под ним - непрозрачный слой ткани.

Отдельные, незначительные мутации могли менять, например, толщину прозрачного слоя или кривизну светочувствительного слоя. Они происходили случайно. Ученые лишь внесли в свою математическую модель правило: если мутация улучшала качество изображения хотя бы на один процент, то она закреплялась в последующих поколениях.

В конце концов, "зрительная плёнка" превратилась в "пузырёк", заполненный прозрачным студнем, а затем и в "рыбий глаз", снабжённый настоящим хрусталиком. Нильсон и Пелгер попробовали оценить, сколько времени могла длиться подобная эволюция, причём они выбрали худший, самый медленный вариант развития. Всё равно результат оказался сенсационным. Краткая история глаза насчитывала всего… чуть более полумиллиона лет - сущий миг для планеты. За это время сменилось 364 тысячи поколений животных, наделённых различными промежуточными типами органов зрения. Путём естественного отбора природа "проверила" все эти формы и выбрала лучшую - глаз с хрусталиком.

Подобная модель наглядно доказывает, что как только первые примитивные организмы открыли саму возможность "запечатлевать" мир - моментально копировать одним из своих органов расположение окружающих предметов и их форму, - тут же этот орган начал совершенствоваться, пока не достиг высшей формы развития. История глаза, в самом деле, оказалась краткой; она была "молниеносной войной" за возможность "видеть всё в истинном свете". В победителях числятся все - и человек, и рыбы, и насекомые, и улитки, и даже эвглена, порой получше нас, "амбивалентных", различающая, где чёрное, а где белое.

Позднее немецкий биолог Вальтер Геринг выяснил, что ген под названием Pax-6 формирует органы зрения у человека, мышей и плодовых мушек дрозофил. Если он имеет дефект, глаз не развивается вовсе или остаётся в зачаточном виде. В свою очередь, при встраивании гена Pax-6 в определённые участки генома у животного появлялись дополнительные глаза.

Опыты показали, что ген Pax-6 отвечает лишь за развитие органов зрения, а не за их тип. Так, с помощью гена, принадлежавшего мыши, учёный запускал механизм развития глаз у дрозофил, причём у них появлялись дополнительные органы зрения - тоже фасеточные - на ногах, крыльях и усиках. "С их помощью насекомые также могли воспринимать свет, - отмечает Вальтер Геринг, - ведь нервные окончания тянулись от дополнительных органов зрения к соответствующему участку головного мозга".

Позднее тот же генетик сумел вырастить на голове лягушки дополнительные глаза, манипулируя геном Pax-6, взятым у дрозофилы. Его коллеги обнаружили тот же самый ген у лягушек, крыс, перепелов, кур и морских ежей. Исследование гена Pax-6 показывает, что все известные нам типы органов зрения могли возникнуть благодаря генетическим мутациям одного и того же "первоглаза".

Впрочем, есть и другие мнения. Ведь, например, у медуз нет гена Pax-6, хотя органы зрения есть. Возможно, этот ген лишь на каком-то этапе эволюции стал управлять развитием зрительного аппарата.

Вот что говорит по этому поводу Д. Э. Нильсон:

У простейших организмов ген Pax-6 отвечает за формирование передней части тела, а поскольку она лучше всего приспособлена для размещения здесь органов чувств, этот ген позднее стал отвечать и за развитие органов зрения.