На головну    

 Коротка історія очі - Біологія і хімія

Олександр Зайцев

Коли і як з'явився очей? Ось уже друге століття біологи сперечаються про походження зору. Одні - слідом за Чарлзом Дарвіном - вважають, що всі різноманітні органи зору, надибуємо нами у тварин, можна звести до одного-єдиного прототипу: свого роду "первоглазу". Їх опоненти вважають, що всі ці органи виникали незалежно один від одного. Хто ж прав? Лише в останні роки таємниця потроху розкривається - завдяки новим математичним моделям і відкриттів генетіков.Евглена, стань людиною!

В принципі, всі органи зору призначені для того, щоб захоплювати окремі частинки світла - фотони. Цілком можливо, що ще в докембрійський період жили організми, здатні сприймати світло. Це могли бути і багатоклітинні істоти, і одноклітинні. Однак перше відоме нам тварина, наділена зором, з'явилося близько 540 мільйонів років тому. А всього через сто мільйонів років, в ордовикском періоді, вже існували всі відомі нам сьогодні типи органів зору. Нам залишається лише правильно розставити їх, щоб зрозуміти їх еволюцію.

У одноклітинних тварин - наприклад, евглени зеленої - є лише світлочутливе пляма: "око". Воно розрізняє світло, що життєво важливо для тієї ж евглени, адже без енергії світла в її організмі не може протікати фотосинтез, а значить, не утворюються органічні речовини. До появи цієї органели - вічка - одноклітинні тварини хаотично снували в товщі води, поки випадково не потрапляли на світло. Евглена ж завжди пливе тільки на світло.

У першому багатоклітинних тварин органи зору були вкрай примітивні. Так, у багатьох морських зірок по всій поверхні тіла розкидані окремі світлочутливі клітини. Ці тварини здатні лише розрізняти світле і темне. Помітивши пропливаючу тінь - хижак? - Вони поспішають заритися в пісок.

У деяких тварин світлочутливі клітини групувалися у вигляді "очного плями". Тепер можна було, нехай і дуже приблизно, оцінити, з якого боку рухався хижак. Більше п'ятисот мільйонів років тому очні плями з'являються у медуз. Цей орган зору дозволяв їм орієнтуватися в просторі, і медузи заселяють відкрите море. Дощові черв'яки подібні плями допомагають ховатися від світла в землі.

Наступну щабель еволюції очі демонструють війчасті черви. У передній частині їх тіла є два симетричних плями: у кожному з них до тисячі світлочутливих клітин. Ці плями наполовину занурені в пігментну чашку. Світло падає лише на верхню половину плям, не закриту пігментом, і це дозволяє тварині визначити, де знаходиться джерело світла. При бажанні можна назвати війкового хробака "твариною з двома очима".

Поступово очне пляма ще глибше вдавлюють в епітелій. Утворився жолобок - "очної келих". Подібним органом зору мають, наприклад, річкові равлики. Його чутливість помітно залежить від напрямку погляду. Однак равлик бачить все навколо себе розпливчастим, немов дивиться крізь матове скло.

Гострота зору підвищувалася в міру того, як звужувалося зовнішній отвір очі. Так з'явився очей з точковим зіницею, що нагадував камеру-обскуру. Їм дивиться на світ молюск Наутілус, родич давно вимерлих амонітів. Товщина очі у наутилуса - близько сантиметра. На його сітківці є до чотирьох мільйонів світлочутливих клітин. Однак цей орган зору вловлює занадто мало світла. Тому світ для наутилуса виглядає похмуро.

Отже, на якомусь етапі еволюція призвела до появи двох різних органів зору. Один - назвемо його "око оптиміста" - дозволяв бачити все в світлих фарбах, але обриси предметів були невиразними, неясними, розпливчастими. Інший - "око песиміста" - бачив все в чорних тонах; світ здавався грубим, зламані, різко окресленим. Саме від нього і відбувається наш людське око.

Пізніше над зіницею наростає прозора плівка; вона захищає його від попадання бруду і в той же час змінює його здатність заломлення. Тепер все більше часток світла потрапляє всередину ока, до його світлочутливим клітинам. Так виникає перший примітивний кришталик. Він фокусує світло. Чим більше кришталик, тим гостріше зір. Для володаря такого органу зору - а саме він і називається "оком" - навколишній світ стає яскравим і виразним.

Очей виявився таким досконалим органом зору, що природа "винайшла" його двічі: він з'явився у головоногих молюсків, а пізніше у нас, хребетних, причому в обох груп тварин виглядає він по-різному, та й розвивається з різних тканин: у молюсків - з епітелію, а у людини сітківка і склоподібне тіло виникають з нервової тканини, а кришталик і рогівка - з епітелію.

Додамо, що у комах, трилобітів, ракоподібних та деяких інших безхребетних тварин сформувався складний - фасеточний - око. Він складався з безлічі окремих очок - омматідіев. Око бабки містить, наприклад, до тридцяти тисяч таких вічок.

Тут впору зробити замітку на полях. У своїй книзі "Походження видів шляхом природного відбору" Чарлз Дарвін назвав очей "органом надзвичайного досконалості і складності", і саме це привело його в замішання. Невже "дзеркало світу", яке ми незмінно носимо з собою, виникло з клаптика шкіри з вкраплених в нього світлочутливими клітинами - на зразок тих, якими наділений дощовий черв'як? Дарвін зізнавався, що ця гіпотеза здавалася йому "надзвичайно абсурдною". А противники еволюційної теорії донині приводять в приклад саме очей - невідповідність його законами еволюції. Хіба може - по чистій випадковості - шкірка перетворитися на складний орган почуттів?

Однак вони не праві. Так, глянувши на кілька паличок, накреслених для рахунку дикуном, і, перевівши погляд на найскладніші рівняння вищої математики, насилу уявляєш, що "одне відбулося з іншого шляхом довгої еволюції". Але це саме так. Ось і в природі, оглянувши її володіння, ми відшукали володарів самих різних органів зору. Вони допомогли нам, нехай дуже схематично, зрозуміти, як розвивалося зір, як народжувалися все нові його органи. Що ж додають в цю схему недавні дослідження? Півмільйона років на всю еволюцію?

Шведські біологи Дан-Ерік Нільсон і Сюзанна Пелгер з Лундського університету змоделювали на комп'ютері історію еволюції ока. У цій моделі все почалося з появи тонкого шару клітин, чутливих до світла. Над ним лежала прозора тканина, крізь яку проникав світло; під ним - непрозорий шар тканини.

Окремі, незначні мутації могли змінювати, наприклад, товщину прозорого шару або кривизну світлочутливого шару. Вони відбувалися випадково. Вчені лише внесли в свою математичну модель правило: якщо мутація покращувала якість зображення хоча б на один відсоток, то вона закріплювалася в подальших поколіннях.

 Людське око влаштований дуже складно: 1 - райдужна оболонка; 2 - зіниця; 3 - кришталик; 4 - сітківка; 5 - область найбільш гострого зору; 6 - сліпа пляма; 7 - кровоносну судину; 8 - зоровий нерв.

Зрештою, "зорова плівка" перетворилася на "бульбашку", заповнений прозорим холодцем, а потім і в "риб'яче око", забезпечений справжнім кришталиком. Нільсон і Пелгер спробували оцінити, скільки часу могла тривати подібна еволюція, причому вони вибрали найгірший, самий повільний варіант розвитку. Все одно результат виявився сенсаційним. Коротка історія очі налічувала всього ... трохи більше півмільйона років - сущий мить для планети. За цей час змінилося 364000 поколінь тварин, наділених різними проміжними типами органів зору. Шляхом природного відбору природа "перевірила" все ці форми і вибрала кращу - очей з кришталиком.

Завдання, як з'ясувалося, була з легких.

Подібна модель наочно доводить, що як тільки перші примітивні організми відкрили саму можливість "запам'ятовувати" світ - моментально копіювати одним зі своїх органів прихильність оточуючих предметів і їх форму, - тут же цей орган почав удосконалюватися, поки не досяг вищої форми розвитку. Історія очі, справді, виявилася короткою, вона була "блискавичної війною" за можливість "бачити все в правдивому світлі". У переможцях числяться всі - і чоловік, і риби, і комахи, і равлики, і навіть Евглена, часом трохи краще нас, "амбівалентні ", що розрізняє, де чорне, а де біле.

Модель шведських вчених цілком вписується в "ревізію біологічних віх", яка відбувається останнім часом в науці (див. "Знання - сила", 2002, № 1). Відомі нам викопні знахідки свідчать - і ми вже згадували про це, - що еволюція органів зору тривала сто мільйонів років. Цілком ймовірно, все сталося значно швидше, і в тій Книзі життя, що прочитали біологи, бракує поки багатьох сторінок.

Ця математична модель, а також генетичні відкриття переконують нас у тому, що відмінності між відомими типами органів зору не так великі, як здавалося раніше. "Ми переконалися, - зазначає німецький біолог Крістоф Кампенхаузен, - що різні типи органів зору виникають через незначних змін у геномі: одні гени активізуються, інші відключаються".

Так, німецький біолог Вальтер Герінг з'ясував, що ген під назвою Pax-6 формує органи зору у людини, мишей і плодових мушок дрозофіл. Якщо він має дефект, очей не розвивається зовсім або залишається в зародковому вигляді. У свою чергу, при вбудовуванні гена Pax-6 в певні ділянки геному у тварини з'являлися додаткові очі.

Досліди показали, що ген Pax-6 відповідає лише за розвиток органів зору, а не за їх тип. Так, за допомогою гена, що належав миші, вчений запускав механізм розвитку очей у дрозофіл, причому у них з'являлися додаткові органи зору - теж фасеточні - на ногах, крилах і вусиках. "З їх допомогою комахи також могли сприймати світло, - зазначає Вальтер Герінг, - адже нервові закінчення тяглися від додаткових органів зору до відповідної ділянки головного мозку".

Пізніше той же генетик зумів виростити на голові жаби додаткові очі, маніпулюючи геном Pax-6, узятим у дрозофіли. Його колеги виявили той же самий ген у жаб, щурів, перепелів, курей і морських їжаків. Дослідження гена Pax-6 показує, що всі відомі нам типи органів зору могли виникнути завдяки генетичних мутацій одного і того ж "первоглаза".

Втім, є й інші думки. Адже, наприклад, у медуз немає гена Pax-6, хоча органи зору є. Можливо, цей ген лише на якомусь етапі еволюції став управляти розвитком зорового апарату. Ось що каже з цього приводу Д.-Е. Нільсон: "У найпростіших організмів ген Pax-6 відповідає за формування передньої частини тіла, а оскільки вона найкраще пристосована для розміщення тут органів чуття, цей ген пізніше став відповідати і за розвиток органів зору".

Подальше відомо. Минуло сто мільйонів років, а, можливо, п'ятдесят, а, може, ще менше ... Або навіть всього півмільйона років! Ну, про це ми говорили, і наші очі - дар стародавніх одноклітинних? - Підтвердять, що сторінкою вище про це написано "чорним по білому". Треба тільки вдивитися! Як тварини бачать світ?

Як виглядає світ? Для кожної живої істоти по-різному! Для мишеняти, як і для нас, помідори палахкотять апетитним червоним кольором. Для кішки, байдужою до них, це - понуро-сірі нарости, порошаться серед листя. Хіба їх можна їсти?

Чому для кішки все навколо сіро?

Із заходом сонця блякнуть всі фарби. Недарма старовинна мудрість говорить: "Вночі всі кішки сірі". У беззвёздной пітьмі тануть і розпливаються обриси рук, не бачиш коробок сірників, піднесений до очей ... Де вже розглянути кішок, крадуться в придорожніх кущах? Зате їм ми видно, як на долоні.

Кішки, як і будь-які хижаки, що ведуть нічний спосіб життя, добре бачать в темний час доби. У темряві їх зіниці помітно розширюються, досягаючи діаметру 14 міліметрів. У людини діаметр зіниці не перевищує восьми міліметрів. Значить, кішці потрібно набагато менше світла, ніж людині, щоб розрізняти предмети та інших тварин.

Крім того, очей кішки влаштований по-іншому. У його глибині, за сітківкою, є особливий відображає шар - Tapetum lucidum. Він відкидає світло, що потрапляє кішці в очі. Ось чому очі кішки світяться в темряві жовтим або зеленим. Завдяки цій особливості зорові клітини, розташовані на сітківці її очей, отримують удвічі більше світла.

У літній день, коли все залито яскравим світлом, зіниці кішки різко звужуються, перетворюючись на тонкі щілинки. Адже велика кількість світла може пошкодити чутливі клітини сітківки. Так що очі кішки добре захищені від прямих сонячних променів. Ось чому її родичи - гепард, каракал, манул - живуть і полюють в пустелі.

В оці людини є два види світлочутливих клітин: палички і колбочки. Палички розрізняють темне і світле. Завдяки їм ми хоч щось бачимо ночами. Колбочки сприймають колір. У кішки - ті ж два види клітин. От тільки, якщо у людини на одну колбу доводяться чотири палички, то у мугикаючи - двадцять п'ять! Ось чому кішки набагато гірше нас бачать кольори. Так, червоний колір зовсім недоступний ім. Світ кішки виглядає бляклим і блідим. Наукова мудрість говорить: "Вдень все навколо кішки сіро". Лише окремі кольори - наприклад, блакитний - скрашують її кругозір.

Справді, навіщо кішці переливи барв? Її споконвічна видобуток - миша чи горобець - однаково їстівна, якими б фарбами їй ні розписала пір'ячко і вовна Природа. Та й немає того вибору фарб: переважають сірі й коричневі тони.

А от для людини, як і для миші, колірний зір часто буває спасительно. Червоний помідор можна їсти; зелений неїстівний. Золотаве зерно достигло; зелене немає.

Що бачать бджоли похмурим днем?

Бджоли, як і кішки, не помічають червоний колір: він для них все одно, що чорний. Ботаніки вже давно звернули увагу на те, що в природі порівняно рідко зустрічаються червоні квіти, та й їх запилюють метелика. Виявляється, для бджіл привабливі білі, жовті і блакитні тони. Однак їхній світ розфарбований інакше, ніж наш.

 Богомол бачить все навколо, навіть не повертаючи голову.

Адже люди теж багато в чому сліпі. Колірний діапазон, доступний бджолам, ширше нашого. Вони бачать ультрафіолетове світло. Багато квітки, які здаються нам білими, постають перед бджолами в іншому обличчі. Для них серед монотонно-блідих пелюсток спалахують яскраві синьо-фіолетові візерунки, які вказують, де шукати нектар. Ось так і ми серед зеленого листя легко розглянемо стиглу, ліловий сливу.

Для хижих птахів вміння бачити ультрафіолетове світло добре з іншої причини. Це допомагає їм знаходити здобич. Адже дрібні гризуни мітять свою територію цівкою сечі, а та світиться ультрафіолетом. Яструб легко помічає ці дивні сліди, залишені мишеням біля житла. Він простує від однієї барвистою мітки до іншої, поки не знаходить невдалого хозяіна.Похож чи орел на пуантіліста?

Зір птахів феноменально. Так, шуліка з висоти 2000 метрів помітить падло, що лежить на землі. Очі хижого птаха по праву можна назвати унікальним біноклем.

Влаштовані очі птиці по-іншому, ніж у нас. Посеред очного дна у людини є "жовта пляма". Тут найбільше чутливих до світла клітин. Це - область найбільш гострого зору. У нашому оці - всього одне "жовта пляма", а от у птахів - їх два. Вони можуть однаково добре бачити відразу два об'єкти, що знаходяться в стороні один від одного. Так, дрізд в один і той же мить може пильно вдивлятися в черв'яка, якого задумав схопити, і в кішку, яка крадеться до нього самого.

Друге "жовта пляма" лежить трохи глибше першого. Воно збільшує предмет, на який дивиться птиця. Ось чому у птаха око "як бінокль". Недарма, коли ми хочемо похвалити чиєсь зір, ми говоримо, що "в цієї людини орлиний зір".

 Зверху вниз:

 Ця південноамериканська жаба добре бачить у темряві, бо очі в неї витрішкуваті; тарантул переслідує свою здобич, значить, зір у нього хороше.

До речі, у самого орла на сітківці ока щільність світлочутливих клітин набагато вище, ніж у людини. Тому картинка, яку бачить орел, набагато чіткіше і детальніше, ніж те, що бачимо ми. Якби він мимохідь глянув на обкладинку нашого журналу, то та здалася б йому скупченням розцвічених точок. Звичайно, при дуже великому збільшенні і ми побачимо те ж саме: точки, точки, точки, як на картині художника-пуантіліста. А тепер уявіть собі, що журнал лежить в декількох метрах від вас і ви все одно помічаєте кожну точку окремо. Неможливо? Але саме так бачить орел!

Хто зрівняється з орлом?

Якщо прийняти гостроту зору орла за 100 відсотків, то зір людини складає всього 52 відсотки від орлиного зору. А ось які здібності деяких інших видів тварин:

восьминіг - 32 відсотки від орлиного зору;

павук-скакун - 9 відсотків;

кішка - 7 відсотків;

золота рибка - 5 відсотків;

щур - 0,7 відсотка;

дрозофіла - 0,07 відсотка;

планария (ресничний черв'як) - 0,009 відсотка.

Чи читають гончаки собаки журнал «Знання - сила»?

Гострота зору пов'язана ще й з тим, як добре око може розгледіти предмети, розташовані на різній відстані. Для цього він "пристосовується" до них. Це властивість називають акомодацією. У людини, як і у інших ссавців, міняється кривизна кришталика. Коли ми розглядаємо предмет, що лежить поблизу, кришталик сильніше викривляється, і це змінює його здатність заломлення, або оптичну силу. Вимірюють цю здатність в діоптріях.

Молодий чоловік легко переводить погляд з ближнього фону на далекий план. Кришталик його очі дуже еластичний і міняє свою здатність заломлення на 14 діоптрій. А ось його улюблена собака цим талантом обділена. У неї оптична сила кришталика може збільшитися лише на один діоптрій. При таких природних задатках можна добре бачити або на віддалі від себе, або прямо перед собою. Так, хорти далекозорі. Умій вони розуміти сенс наших таємних значків - букв, їм все одно ніколи б не вдалося прочитати наш журнал. Рядки зливаються для них в одне темна пляма.

Кішки теж найкраще можуть розгледіти предмети, що знаходяться в стороні від них. Особливо добре вони бачать на відстані від двох до шести метрів. Це дуже зручно для полювання на птахів або мишей. На цю дистанцію кішка ще може підкрастися до своєї здобичі і пильно за нею спостерігати, щоб потім, знайшовши момент, кинутися і схопити її.

Особливо дивний кришталик ока у баклана. Його оптична сила змінюється на 50 діоптрій. Тому баклан може однаково добре бачити в повітрі і під водой.Возвращеніе червоного кольору

Більшість ссавців не відрізняють червоний колір від зеленого. Вони давно втратили цю здатність, притаманну птахам, рибам і рептиліям. Адже їхні далекі предки, що населяли планету в один час з динозаврами, зайняли особливу екологічну нішу: стали вести нічний спосіб життя. Холодними ночами температура тіла динозаврів різко падала, як і їх активність. Зате теплокровні ссавці ближче до півночі вибиралися зі своїх нір і укриттів і, осмілівши, бродили в пошуках їжі. За цю вільність вони платили дефектами зору. Їм було все одно, як пофарбована видобуток. Їхній світ був сірим, чорним, білястим, але ніяк не різнобарвним.

Однак мавпи, як і людина, знову починають розрізняти червоний і зелений тони. Намагаючись пояснити цей "регрес" зору, вчені давно припустили, що колірний зір допомагало мавпам відрізняти стиглі плоди від незрілих. Однак не всі плоди, дозріваючи, фарбуються в червоний колір.

Нещодавно біологи Натаніель Доміні і Пітер Лукас з Гонконзького університету висунули іншу теорію - вона сподобалася багатьом їхнім колегам. В африканських лісах Доміні і Лукас спостерігали за тим, якими листям харчуються шимпанзе та інші мавпи. Вони вибирали зазвичай молоде листя, ніжні, живильні, легко перетравлюються організмом - і пофарбовані звичайно в червонуватий відтінок. Можливо, саме це меню навчило покоління приматів розрізняти червоний колір. Цікаво, що в лісах Південної Америки молоде листя на деревах рідко мають червонуватий відтінок, і місцеві мавпи, як і інші ссавці, які не розрізняють червоний і зелений кольори! Чому очі у мавп такі темні?

Очі шимпанзе, як і інших людиноподібних мавп, на наш погляд, виглядають дивно. Адже не тільки райдужна оболонка, а й вся інша частина очного яблука пофарбована у них в карий колір. Довгий час вважалося, що очі людиноподібних мавп повністю пігментованих тому, що це захищає їх від сліпучого сонця. Проте японські біологи Хіромі Кобаясі і Сіро Косіма вважають, що така забарвлення очей захищає їх володарів від ворогів. Дивлячись на очі того ж шимпанзе здалеку, важко зрозуміти, в який бік дивиться мавпа. Зіниця зливається з навколишнім забарвленням, і визначити напрям погляду важко. Тому хижак, роздумуючи, підкрадатися йому до мавпі, не може зрозуміти, вдивляється вона в іншу сторону або вже помітила його наближення і зараз кинеться навтьоки. Неможливість напасти на мавпу зненацька утримує деяких її ворогів від нападу.

У людини, навпаки, райдужна оболонка чітко виділяється на навколишньому фоні, видаючи, в який бік він дивиться. "Форма людських очей оптимальна, щоб обмінюватися поглядами і привертати до себе увагу інших персон", - пояснюють японські вчені.

Обмін поглядами відіграє важливу роль у нашому житті. Мова поглядів так само виразний, як і мова жестів або слів. А ось людиноподібні мавпи воліють виражати свої почуття не поглядами, які у них важко піддаються тлумачення, а рухами голови, наприклад, погойдуваннями або кивками. Пильний погляд у мавп вважається не знайомий довірливості, а неприкритою угро

© 8ref.com - українські реферати