Эволюция глаз

Обнаружение света, пигмент и движение делают глаза

Подавляющее большинство жизни на нашей планете зависит от солнечной энергии. Поскольку жизнь так тесно связана с солнцем, неудивительно, что многие организмы (за исключением тех, что живут в полной темноте) развили способность обнаруживать свет и реагировать на него. Растения поворачивают листья к солнцу. Одноклеточные водоросли, протисты и другие микробы плывут к свету или от него. Но именно животные с нашими глазами, формирующими изображение, вывели обнаружение света на новый уровень.
Глаза есть у 96% видов животных. Первые глаза животных мало что делали, кроме обнаружения света — они помогали устанавливать циклы день/ночь и координировать поведение — но вскоре развились более сложные глаза. Хищник, который может видеть свою жертву на расстоянии, или животное-жертва, которое может видеть тень приближающегося хищника, имеет явное преимущество в выживании перед теми, кто этого не видит. Даже незначительное улучшение качества изображения дает значительное преимущество в выживании, позволяя поэтапно эволюционировать все более сложным глазам.

Синхронизируя свои репродуктивные циклы с солнцем и луной, некоторым видам кораллов удается нереститься в течение одного часа в году. Обнаружение света, возможно, сначала развилось, чтобы установить ритмы и процедуры для кормления, движения и размножения. (Фото: Эмма Хикерсон, NOAA)

В простейшем случае глаз выполняет три функции:

Обнаружение света
Затенение в виде темного пигмента для определения направления, откуда исходит свет.
Связь с двигательными структурами для движения в ответ на свет

у некоторых организмов все три функции выполняются одной клеткой — например, у одноклеточной эвглены. У него есть светочувствительное пятно, гранулы пигмента для растушевки и двигательные реснички. Однако эта структура не считается настоящим глазом.

Самая основная структура, которая широко принята в качестве глаза, состоит всего из двух клеток: фоторецептора, который улавливает свет, и пигментной клетки, которая обеспечивает затенение. Фоторецептор соединяется с реснитчатыми клетками, которые участвуют в движении животного в ответ на свет. Эмбрион морского червя (справа) имеет двухклеточный глаз.

Глаз с большим количеством фоторецепторов обладает большей силой: он может обнаруживать изменения интенсивности света на своей поверхности. Чашевидный глаз может лучше чувствовать как направление, откуда исходит свет, так и движение близлежащих объектов. Эти улучшения требуют лишь незначительных изменений основного глаза.
По мере того, как у животных развивались более сложные тела и поведение, усложнялся и глаз. Глаза развили связи с мышечными клетками, а не с клетками, которые двигались с помощью взмахов ресничек. Появились нейроны, способные обрабатывать сигналы и координировать поведение.
Более поздние улучшения включали структуры для улучшения оптики, такие как линзы или зеркала, которые собирают и фокусируют свет на фоторецепторах. Некоторые глаза стали сферическими и развили зрачки, которые открывались и закрывались, пропуская ровно столько света, сколько нужно для формирования четких изображений. Мышцы эволюционировали, чтобы точно настраивать фокусировку и направлять взгляд в разных направлениях. Число фоторецепторов увеличилось, обеспечивая более детализированные изображения (подобно добавлению пикселей к фотографии).

Внутри разные глаза используют одни и те же компоненты — основной молекулярный «инструментарий» для построения глаза. Однако некоторые структуры, которые выглядят одинаково, например линзы позвоночных и кальмаров, имеют различное эволюционное происхождение.
Узнайте больше о молекулярном «наборе инструментов» для построения глаза и о генетическом происхождении глаз.

Глаза, скорее всего, эволюционировали от простых к сложным через постепенную серию крошечных шагов. Собрать воедино последовательность эволюции глаза сложно, и мы не знаем последовательность шагов, которые привели к каждому современному глазу. Но мы знаем, что глаза современных животных бывают разных видов, охватывая континуум от самых простых до самых сложных. Это показывает, что все типы глаз полезны и что глаза промежуточной сложности также могли сформироваться как этапы эволюции сложных глаз.
Исследователи из Лундского университета хотели выяснить, сколько времени потребуется для развития сложного глаза. Начав с плоского светочувствительного участка, они постепенно внесли более 1800 крошечных усовершенствований — сформировали чашечку, сузили отверстие, добавили линзу — пока не получили сложный глаз, формирующий изображение. Важно отметить, что каждое крошечное изменение, внесенное этими исследователями, значительно улучшило качество изображения. Исследователи пришли к выводу, что эти шаги могли произойти примерно за 360 000 поколений или всего за несколько сотен тысяч лет. С момента образования древнейших ископаемых глаз прошло 550 миллионов лет, достаточно времени, чтобы сложные глаза эволюционировали более 1500 раз.