сп. National Geographic - Декември 2018
National Geographic KIDS - Декември 2018

Да видиш светлината

4.5.2016 г.

Разнообразието от очи в животинското царство е безкрайно. Някои виждат само в черно-бяло; други възприемат всички цветове на дъгата, дори видове светлина, невидима за нас. Някои дори не могат да преценяват посоката на постъпващата светлина; други могат да засичат бягаща плячка на километри разстояние.

Окото може би е най-изтънченото творение на сляпата природа  „Ако попитате хората за какво служат очите на животните, те ще ви кажат: за същото като при хората. Но това не е вярно. Изобщо.“

В лабораторията си в университета „Лунд“ в Швеция Дан-Ерик Нилсон наблюдава очите на една кубомедуза. Очите на Нилсон, две на брой, са леденосини и гледат напред. Кубомедузата, напротив, има 24 очи, които са тъмнокафяви и са групирани в 4 грозда, наречени ропалиуми. Нилсон ми показва модел на един такъв в офиса си: прилича на топка за голф, на която са й пораснали тумори. Гъвкаво стъбло го прикрепя за медузата. „Когато ги видях за пръв път, не повярвах на очите си – казва Нилсон. – Просто изглеждат странно.“ Четири от шестте очи във всеки ропалиум са просто отвори и ямки, засичащи светлината. Но другите две са изненадващо сложни: подобно на очите на Нилсон, те притежават фокусиращи светлината лещи и могат да виждат образи, макар и с ниска разделителна способност.

Освен за други неща Нилсон използва очите си и за да събира информация за разнообразното зрение при животните. А какво да кажем за кубомедузата? Това същество е сред най-просто устроените животни – просто пулсираща желеобразна топка с четири снопа парещи пипала, влачещи се след нея. Дори не притежава приличен мозък – само един невронен пръстен по ръба на чадърчето й. От каква информация би могла изобщо да се нуждае?

През 2007 г. Нилсон и екипът му демонстрираха, че кубомедузата Tripedalia cystophora използва по-ниско разположените си очи с лещи, за да забелязва наближаващи препятствия като корените на мангровите дървета, между които плува. Отнело им още 4 години, за да открият за какво се използват разположените по-горе очи с лещи. Първият важен ключ била една свободно плуваща тежест (статолит) на дъното на ропалиума, която се грижи горното око винаги да гледа нагоре, дори и медузата да плува обърната наобратно. Ако това око забележи тъмни зони, медузата усеща, че плува под короните на мангровите дървета, където може да открие дребните ракообразни, с които се храни. Ако вижда само ярка светлина, значи се е отклонила към открито море и рискува да умре от глад. С помощта на очите си тази безмозъчна пихтиеста топка може да открива храна, да избягва препятствия и да оцелява. Очите на кубомедузата са само един пример за почти безкрайното разнообразие от очи в животинското царство. Някои виждат само в черно-бяло; други възприемат всички цветове на дъгата, че дори и повече – до видове светлина, невидима за нашите очи. Някои дори не могат да преценяват посоката на постъпващата светлина; други могат да засичат бягаща плячка на километри разстояние.

Най-малките животински очи, украсяващи главите на осите от сем. Mymaridae, са малко по-големи от амеба; най-големите са с размера на големи чинии и принадлежат на видовете гигантски калмари. Окото на калмара, както и нашето, действа като фотографска камера: има една-единствена леща, която фокусира светлината върху една единична ретина, пълна с фоторецептори – клетки, които абсорбират фотоните и преобразуват енергията им в електрически сигнали. Докато, напротив, фасетното око на мухата разделя постъпващата светлина между хиляди отделни фасетки, всяка със своя собствена леща и фоторецептори. При човека, мухите и калмарите очите са поставени по двойки върху главите на притежателите им. Но мидите пектени имат цели редици от очи по дължината на мантиите си, морските звезди имат очи на върха на пипалата си, а пурпурният морски таралеж използва цялото си тяло, което действа като едно голямо око. Има очи с бифокални лещи, очи с огледала и очи, които гледат едновременно нагоре, надолу и встрани. За да разберат как са еволюирали очите, учените трябва да направят нещо повече от това да изследват структурите им. Те трябва да разберат как животните използват очите си.

Преди около 540 млн. години предците на повечето съвременни групи животни внезапно се появили на сцената като взрив на видово разнообразие, познато като Камбрийска експлозия. Много от онези създания пионери са оставили след себе си фосили. Някои са толкова добре запазени, че учените са успели да използват изображения от сканиращи електронни микроскопи, за да направят модели на вътрешната им анатомия, включително на очите, и да реконструират зрението на притежателите им. „Бях изумена – казва Бригите Шонеман от Кьолнския университет. – Можем да изчислим дори какво количество фотони са улавяли.“

Но тези зрителни органи вече били сложни, а няма и следа от по-прости техни предшественици. Фосилната история не ни казва нищо за това как слепите животни са развили способност на виждат света. Тази мистерия смущавала Чарлс Дарвин. „Предположението, че окото, с неговите изкусни приспособления… е могло да възникне посредством естествения отбор, изглежда, признавам открито, абсурдно в най-висша степен“ – пише той в „Произход на видовете“. Но още в следващото си изречение Дарвин разрешава собствената си дилема: „И все пак разумът ми подсказва, че ако може да се докаже съществуването на безброй градации от едно съвършено и сложно око до такова, което е несъвършено и просто, като всяка градация е била нужна на собственика си… тогава трудността да повярваме, че едно съвършено и сложно око може да се оформи чрез естествен отбор, макар и невероятна за въображението ни, едва ли следва да се приема за реална.“

Истинността на градациите, за които говори той, може да се докаже. Съществуващи днес животни илюстрират всяка възможна междинна степен между примитивните, чувствителни към светлината петна на земния червей и супер острото, подобно на камера зрение на орлите. Нилсон дори е доказал, че първото може да еволюира до второто за изненадващо кратко време. Той създал симулация, която започва с малко, плоско петно пигментирани фоточувствителни клетки. С всяко поколение, сменящо се през година, то става малко по-дебело. Бавно се извива от плоско в чашковидно. Придобива груба леща, която с времето се усъвършенства. Дори и в най-песимистичните условия, когато окото се усъвършенства само с 0,005% при всяко поколение, ще отнеме едва 364 000 години за едно просто петно да се превърне в напълно функциониращ орган, подобен на фотоапарат.

Но простите очи не бива да се разглеждат само като стъпала. Тези, които съществуват днес, са приспособени към нуждите на съществата, които ги използват. Очите на морската звезда – по едно на върха на всяко пипало – не могат да виждат цветове, фини детайли или бързо движещи се обекти. И все пак: морската звезда не се опитва да забележи и да сграбчи тичащ заек. На нея є е нужно само да различава кораловите рифове – огромни, неподвижни грамади в пейзажа – за да може полекичка да се прибере у дома. Очите є могат да свършат това; тя няма нужда да развива нещо по-добро. „Очите не са еволюирали от недоразвити към перфектни – казва Нилсон. – Те са еволюирали от чудесно изпълняващи няколко прости задачи към изпълняващи множество сложни задачи по перфектен начин.“

Преди няколко години той вградил тази концепция в модел, който проследява еволюцията на очите в четири етапа, като всеки е дефиниран не от конкретни физически структури, а от нещата, които очите позволяват на животните да правят. Първият етап включва наблюдаване на интензитета на околната светлина, за да се прецени времето на деня или дълбочината, ако животното се намира във воден стълб. За това не е нужно развито око; самотен фоторецептор би свършил работа. Хидрата – миниатюрна роднина на медузите – няма очи, но има фоторецептори в тялото си. Тод Оукли и Дейвид Плачетски доказаха, че тези рецептори контролират копривните клетки на хидрата, за да могат да стрелят по-лесно в мрака. Може би това позволява на създанието да реагира на сенките на преминаващите покрай него жертви или да запази парещите си стрелички за през нощта, когато плячката му е по-изобилна.

Във втория етап на Нилсъновия модел животните могат да определят откъде идва светлината, защото фоторецепторите им се сдобиват с щит – обикновено тъмен пигмент, – който блокира светлината, идваща от определени посоки. Такъв рецептор предоставя на притежателя си еднопикселово сетиво за света – недостатъчно, за да бъде квалифицирано като истинско зрение, но достатъчно, за да се придвижи към източник на светлина или да отплува далеч от него в някое сенчесто убежище.

В третия етап фоторецепторите с щитове се събират в групи, като всеки сочи в малко по-различна посока. Сега вече притежателите им могат да обединят идващата от различни посоки информация за светлината и така да създадат изображение на своя свят. Това бележи момента, в който усещането за светлината се превръща в истинско зрение и в който сноповете фоторецептори се превръщат в същински очи. Животните с очи в трети етап могат да си намерят подходящ дом, както прави морската звезда, или да избягват препятствия, както прави кубомедузата.

Четвъртият етап е този, в който еволюцията на очите – и притежателите им – наистина бележи сериозен скок. Като се добавят лещи, които фокусират светлината, зрението става остро и детайлно.

Животните еволюирали, а с тях и очите им. Всички основни зрителни структури, които съществуват днес, били налични и през камбрия, но се развили по необикновено разнообразни начини. Мъжката еднодневка изглежда сякаш има огромно фасетно око, залепено върху друго, по-малко, посветено на задачата да се взира в небето за силуети на летящи женски. Уместно наречената четириока риба e разделила двете си очи тип камера на две части, така че едната половина се показва над повърхността на водата и наблюдава небето, докато другата гледа за заплахи и плячка под водата. Човешкото око е достатъчно бързо и умело в откриването на контрасти и отстъпва по разделителна способност само на грабливите птици – добро многофункционално око за най-приспособимото животно сред всички.

Вместо да бъде пречка пред теорията за естествения отбор, еволюцията на сложното око е една от най-удивителните му илюстрации. „В този възглед за живота има величие“ – пише Дарвин в края на великия си труд. Именно неговите очи от четвърти етап му позволили да види това величие.

Моделът на Нилсон хвърля нова светлина върху един стар дебат: дали очите са еволюирали веднъж или множество пъти. Легендарният германски еволюционен биолог Ернст Майр заявил, че очите имат между 40 и 65 независими типа произход. А швейцарският биолог Валтер Геринг твърдял, че очите са еволюирали само веднъж, след като открил, че един и същ управляващ ген – наречен Pax6 – контролира развитието на очите при практически всяко същество с очи. И двамата били прави. Същинските очи от трети етап наистина са еволюирали от по-простите си предшественици от втори етап на няколко пъти; например кубомедузата развила своите независимо от мекотелите, гръбначните и членестоногите. Но очите на всички тези организми са надграждани върху един и същ първи етап – този на светлочувствителните клетки.

Знаем това, защото в строежа на всички зрителни органи присъстват едни и същи градивни материали, най-вече протеините опсини – молекулярната основа на всички очи. Опсините действат, като се обвиват около хроматофор – молекула, която може да абсорбира енергията на постъпващ фотон. Енергията бързо променя формата на хроматофора, като принуждава неговия партньор, опсина, също да се деформира. Тази трансформация отключва поредица от химични реакции, която свършва с електрически сигнал.

Има хиляди различни опсини, но всички споделят един общ предшественик. Еволюцията импровизирала първите опсини от протеини, които функционирали повече като часовници, отколкото като фотосензори. Тези първоначални протеини се прилепвали към мелатонина – хормон, който контролира 24-часовите биологични часовници на много организми. Мелатонинът се разрушава през нощта, така че отсъствието му може да сигнализира първите утринни лъчи – но само веднъж. Всяко същество, което усеща пукването на зората чрез мелатонина, трябва непрекъснато да си го изработва. Докато хромофорите, съчетани с опсини, просто променят формата си, когато абсорбират светлина, и могат лесно да си я възвърнат. Така че, когато свързаните с мелатонин протеини мутирали, те изведнъж се превърнали във фотосензори за многократна употреба. Това били първите опсини. Били толкова ефективни, че еволюцията така и не измислила по-добра алтернатива; тя просто създала вариации на темата.

Същото не може да се каже и за други компоненти на окото като лещите. Почти всички са съставени от протеини, наречени кристалини, които подобряват зрението на притежателя си, като фокусират светлината върху намиращите се под тях фоторецептори. Но за разлика от опсините, общото между кристалините е само името им. Различните животински групи са развили независимо една от друга своя собствена марка кристалини, но всички били стабилни, лесни за пакетиране плътно едни към други и способни да пречупват светлината: перфектни за създаването на  лещи.

Най-странните лещи в природата изобщо нямат кристалини. Те принадлежат на панцерните мекотели: група морски животни, подобни на овали, защитени от плочи като броня. Тези плочи са изпъстрени със стотици очички от трети етап, всяко със своя собствена леща. Лещите са съставени от минерал, наречен арагонит, който панцерните мекотели произвеждат от калция и карбонатните молекули, налични в морската вода. Казано просто, това същество е изнамерило начин да направи зрението си по-остро, като гледа през камъка. А когато каменните им лещи ерозират, панцерните мекотели просто си изработват нови.

Опсините, лещите и всички останали съставни части на окото свидетелстват за еволюционния напредък чрез импровизиране с подръчни материали, непрестанно намиране на нови функции на вече съществуващи материали и съчетаване на прости структури заедно в по-сложни. Еволюцията обаче не е предвидлива и не може отново да започне от нулата, затова творенията є винаги са белязани от несъвършенства. Нилсон е особено разочарован от фасетните очи. Тяхната структура, съставена от много повтарящи се елементи, поставя непробиваем таван на зрителната разделителна способност. Ако една муха иска да вижда със същата разделителна способност като човека, окото є би трябвало да е с диаметър един метър.

Ерик Уорънт, също от университета „Лунд“, е възприел по-милостива гледна точка. „Очите на насекомите имат много по-бърза темпорална резолюция – казва той. – Две мухи могат да се гонят с изумителна скорост и да виждат до 300 светлинни проблясъка в секунда. Ние имаме късмет, ако видим и 50.“ Окото на водното конче му дава почти цялостно 360-градусово зрение. А лозовата вечерница (вид нощна пеперуда) има толкова чувствителни очи, че може да различава цветовете на звездна светлина. „Няма око, което да прави всичко по най-добър начин – казва Уорънт.“ Нашите очи тип камера си имат свои собствени проблеми. Например ретините ни са изградени по странен начин – отзад напред. Фоторецепторите се намират зад преплетена мрежа от неврони. Снопът нервни влакна също така трябва да премине през дупка в слоя от фоторецептори, за да стигне до мозъка. Затова имаме сляпо петно. Тези недостатъци са просто капризи на еволюционната ни история.

Ние сме разработили обиколни пътища. Ретините ни съдържат издължени клетки, които действат като оптични влакна, които канализират светлина през невроните към фоторецепторите. А мозъкът ни е способен да запълва липсващите детайли от сляпото петно. Но понякога ретините ни се отлепят от подлежащата тъкан, което води до слепота; това никога не би се случило, ако невроните се намираха зад фоторецепторите, закотвяйки ги на място. Този по-смислен дизайн съществува в очите тип камера на октоподите и калмарите. Октоподът няма сляпо петно. Ретината му никога не се отлепя. Но с нас се случва, защото еволюцията не работи по план. Тя криволичи нехайно, импровизирайки по пътя си.

Понякога прави и обратни завои. Очите са толкова сложни, колкото е необходимо на техните притежатели, и ако тези нужди намалеят, същото става и с очите. Повечето птици и влечуги виждат цветове с помощта на четири вида фоторецептори колбички, като всеки притежава опсин, настроен за различен цвят. Но бозайниците са еволюирали от един общ нощен предшественик, който е изгубил два вида от тези колбички може би защото цветното зрение не е толкова важно нощем и защото колбичките са най-ефективни на ярка дневна светлина.

Повечето бозайници все още виждат света чрез ограничена палитра. Кучетата имат само два вида колбички – едните настроени за синьо, а другите – за червено. Но приматите от стария свят отчасти ревизирали тази загуба, като отново развили колбичка, чувствителна към червеното. Това отворило очите на предците ни за невидимия преди свят на нюансите на червеното и оранжевото. Морските бозайници поели по друг път, разделяйки се със синята колбичка, когато станали водни обитатели. Много китове изгубили също и червената колбичка. Те имат само фоторецептори под формата на пръчици – идеални за виждане в мрака на дълбокия океан, но безполезни при различаването на цветове. Ако ползите от зрението намалеят почти до нула, някои животни изцяло губят очите си, какъвто е случаят с мексиканската тетра (или сляпа пещерна риба). В епохата на плейстоцена някои от тези дребни сладководни риби отплували към няколко дълбоки пещери. Очите почти не им вършели работа в пълния мрак, затова наследниците им еволюирали в различни популации слепи пещерни риби – розово-бели същества с кожа, покриваща мястото, където са били очите им. Тези обратни изменения са се случили, защото създаването и поддръжката на очите отнема много енергия. Което обяснява защо животните нямат по-ефективни очи, отколкото им са необходими, и защо с такава готовност се отървават от тях, когато вече не са им нужни. Да пилееш енергия заради безполезна сетивна система е чудесна рецепта за изчезване. Очите са свидетелство едновременно за безкрайната креативност на еволюцията є безмилостната є пестеливост.

В Мерилендския университет в окръг Балтимор Том Кронин се взира в един аквариум, а две фасетни очи, подобни на понички, забодени на стълбчета, го зяпат в отговор. „Господин Блещи“, както гальовно го нарича Кронин, е великолепно същество, накипрено в калейдоскопична дреха от прасковено, бяло, зелено и яркочервено. Той е рак богомолка и принадлежи към група ракообразни с бързи и агресивни крайници, подаващи се изпод главите им, подобно на тези на богомолките. Предните крайници на г-н Блещи свършват с огромни чукове, които се разгъват с такава скорост и сила, че могат да разбиват черупки на морски организми и стъклото на аквариума.

Очите на рака богомолка имат три отделни области, които се фокусират върху една и съща тясна ивица пространство и осигуряват възприятие в дълбочина без помощта на другото око. Те също така могат да виждат ултравиолетова и поляризирана светлина. И докато ние имаме три вида цветови рецептори в ретините си, Кронин открил, че раците богомолки имат 12, всеки пригоден за различен цвят. „Не откривах смисъл в това. Изобщо“ – спомня си той.

Години наред учените приемали, че с всичките тези рецептори ракът богомолка би трябвало да е способен да разпознава дори минимални разлики в нюансите. Но Хане Тоен от Куинсландския университет в Австралия разбила тази представа през 2013 г. Тя показала на раци богомолки оптични влакна, светещи в различни цветове, и ги награждавала с храна, ако нападнели един определен цвят. После нагласила цветовете така, че да са по-сходни, докато животните не можели повече да ги различават. Те се справили ужасно зле: не можели да различат дори цветове, чиито разлики са очевадни за нас.

За какво тогава им били всички тези рецептори? Тоен подозира, че са свързани изцяло с боксьорските им умения. В ретините си ние извършваме сериозна обработка на зрителна информация от колбичките ни, преди да я изпратим към мозъка си. Може би вместо това ракът богомолка подава отговорите на всичките си 12 вида цветови рецептори директно към мозъка си, който сравнява суровите данни с някакъв вид таблица на различните цветове. Макар ракът богомолка да не е много умел в различаването на цветовете, подобна система може да го направи невероятно добър в разпознаването им, което на свой ред може да му помага да взема бързите решения, необходими за нанасянето на светкавичните му удари.

Но Кронин не е убеден. Обратно в лабораторията си той размахва пипета над петриева паничка, съдържаща по-дребен рак богомолка, дълъг само няколко сантиметра. Ракът проследява нахалния предмет с очи, а после внезапно го напада. Ударът е достатъчно силен, за да се чуе ясно изпукване, като щракане с пръсти. „Това мъниче прекара доста време в мислене, преди да фрасне пипетата. Това не е решение, което вземат просто така – казва Кронин, щраквайки със собствените си пръсти.– Остава въпросът: за какво им е всичко това?“

Това е и въпросът, който винаги си задава Ерик Нилсон. Не е достатъчно да познаваме структурата на очите на рака богомолка или гените, които се активират в тях, или нервните сигнали, които изпращат до мозъка. В крайна сметка, за да разберем защо са такива, каквито са, трябва да знаем за какво се използват. За комуникация между раците? За бързо улавяне на плячка? За да виждат по-добре изобилието от цветове в кораловите рифове? Истината е, че ще можем да разберем еволюцията на очите на животните само когато се научим да виждаме света през тях. 

Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тук. разбрах