Кіріспе
Көру мүшелерінің пайда болуы мен геологиялық уақыт бойы әртүрлілігі Көптеген ғалымдар көздің эволюциясын зерттеуді қызықты деп тапты, өйткені көз көптеген жануарлар түрінде кездесетін ұқсас органның ерекше үлгісін көрсетеді. Қарапайым жарық анықтау бактерияларда, бір жасушалы организмдерде, өсімдіктер мен жануарларда кездеседі. Көздің күрделілігі мен суретті қалыптастыратын қабілеті бірнеше рет өздігінен дамыды. Түрлі көздер Орта кембрийдің Бёрджесс шилі мен сәл ескірек Эму шығанағының шилінен белгілі. Көздің көріс өткірлігі, толқын ұзындығының диапазоны, жарықсыз кездегі сезімталдығы, қозғалыс немесе нысандарды анықтау қабілеті, түстерді ажырата алу-талмауы әр түрлі.
Many scientists have found the evolution of the eye attractive to study because the eye distinctively exemplifies an analogous organ found in many animal forms. Simple light detection is found in bacteria, single celled organisms, plants and animals. Complex, image forming eyes have evolved independently several times. Diverse eyes are known from the Burgess shale of the Middle Cambrian, and from the slightly older Emu Bay Shale. Eyes vary in their visual acuity, the range of wavelengths they can detect, their sensitivity in no light, their ability to detect motion or to resolve objects, and whether they can discriminate colours.
Зерттеу тарихы
1802 жылы философ Уильям Пейли оны "жасалған керемет" деп атады. 1859 жылы Чарльз Дарвин өзінің "Жындардың пайда болуы" атты еңбегінде көздің табиғи іріктеу арқылы эволюциялануы бірінші қарауға "мүмкіндігінше жоғары деңгейде абсурдты" көрінді деп жазды. Ол "пигментпен ғана қапталған және басқа механизмсіз" оптикалық жүйкеден "әделеттіліктің орташа жоғары сатысына" дейін эволюция кезеңін ұсынды және қолданыстағы аралық үлгілерді берді. Биолог Д. Э. Нильсон омыртқалы жануарлардың көзінің фоторецепторлардың бір жапырағынан эволюциялануының төрт жалпы сатысын өз бетінше теорияға айналдырды. Нильсон мен С. Пелгер классикалық мақаласында омыртқалы жануарлардың күрделі көзін дамыту үшін бірнеше жүз мың ұрпақ қажет деп есептеді. Г. Янг есімді тағы бір зерттеуші эволюциялық қорытынды жасауға фоссильді деректерді пайдаланды. Бұлардың бәрі Дарвин теориясын растайтын дәлелдердің көбеюіне ықпал етеді.
He suggested a stepwise evolution from "an optic nerve merely coated with pigment, and without any other mechanism" to "a moderately high stage of perfection", and gave examples of existing intermediate. Biologist D. E. Nilsson has independently theorized about four general stages in the evolution of a vertebrate eye from a patch of photoreceptors. Nilsson and S. Pelger estimated in a classic paper that only a few hundred thousand generations are needed to evolve a complex eye in vertebrates. Another researcher, G. C. Young, has used the fossil record to infer evolutionary conclusions, based on the structure of eye orbits and openings in fossilized skulls for blood vessels and nerves to go through. All this adds to the growing amount of evidence that supports Darwin's theory.
Эволюцияның қарқыны
Қазіргі кезде табылған көздердің алғашқы мүмкін окаменелісі Эдиакаран кезеңінен (шамамен ), ал ең көне белгілі қазбаланған көз 530 млн. жыл бұрын Солтүстік Эстониядағы Савираннадан жиналған Шмидтиелл реета фоссиліне жатады. Құрылымы қазіргі заманғы құрттар мен аралардың құрама көздеріне ұқсас, бірақ (~ 100) омматидиялар бір-бірінен алыста және линзасыз. Кембрийдің төменгі кезеңінде "Кембрий жарылысы" деп аталатын, көрінеу тез эволюция болды. Кембрий жарылысының "салдары" туралы көптеген гипотезалардың бірі - Эндрю Паркердің "Жұрақ ауыстырғышы" теориясы: ол озық көздердің эволюциясы эволюцияны жеделдеткен қарулану жарысын бастады деп санайды. Кембрийлік жарылыстан бұрын жануарлар жарықты сезінген болуы мүмкін, бірақ оны жылдам қозғалыс немесе көру арқылы навигация үшін қолданбаған. Көздің эволюциялық жылдамдығын бағалау қиын, өйткені фоссилді деректері, әсіресе төменгі кембрийлік, нашар. Фоторецепторлы жасушалардың дөңгелек жапсырмасының толыққанды жұмыс істейтін омыртқалы жануарлардың көзіне қаншалықты тез дамый алатыны мутация деңгейіне, организмге қатысты артықшылыққа және табиғи іріктеуге негізделген. Алайда, әр жағдай үшін қажетті уақыт үнемі асыра бағаланып, ұрпақ уақыты бір жылға белгіленді, бұл кіші жануарларда жиі кездеседі. Тіпті осындай жағымсыз көрсеткіштерге қарамастан омыртқалы жануарлардың көзі фоторецептор жасушаларынан 364 мың жылдан аз уақыт ішінде пайда болуы мүмкін.
Көздің пайда болуы
Көздің бір рет немесе бірнеше рет пайда болуы көздің анықтамасынан тұрады. Барлық көзді жануарлар көздің дамуы үшін генетикалық механизмнің көп бөлігін бөліседі. Бұл көзді жануарлардың ата-бабасында жарыққа сезімтал механизмдер болғандығын көрсетеді, тіпті ол арнайы оптикалық орган болмаса да. Алайда фоторецепторлы жасушалар да молекулалық жағынан ұқсас химиорецепторлы жасушалардан бірнеше рет пайда болған болуы мүмкін. Мүмкін, фоторецепторлы жасушалар кембрийлік жарылыстан бұрын да болған шығар. Жоғары деңгейдегі ұқсастықтар, мысалы, белок кристаллиннің тәуелсіз алынған баспаяқтылар мен омыртқалы жануарлар линзаларында қолданылуы, көздің ішінде жаңа функция үшін неғұрлым негізгі белоктың коопциясын көрсетеді. Барлық жарыққа сезімтал мүшелерге ортақ қасиет опсиндар болып табылады. Опсиндер фотосессивті ақуыздар тұқымдасына жатады және тоғыз топқа бөлінеді, олар барлық екі жақты симметриялық жануарлардың соңғы жалпы ата-бабасы - урбилатерияда бұрыннан бар болатын. Сонымен қатар, көздерді орналастыруға арналған генетикалық құралдар жиынтығын барлық жануарлар бөліседі: PAX6 гені сегізбалықтан бастап тышқанға және жеміс құсына дейінгі жануарларда көздердің қайда дамығанын бақылайды. Мұндай жоғары деңгейдегі гендер қазіргі кездегі көптеген құрылымдардан әлдеқайда ескі; олар бастапқыда басқа мақсатқа қызмет еткен болуы керек, олар көз дамуына қолданылғанға дейін.
Эволюцияның кезеңдері
Көздің алғашқы ата-бабалары жарықты сезімтал фоторецепторлар, тіпті бір жасушалы организмдерде де кездеседі, оларды "көздің нүктелері" деп атайды. Көздің көздері тек қоршаған ортаның жарықтығын ғана сезе алады: олар жарықты қараңғыдан ажырата алады, бұл фотопериодизмге және циркадтық ритмдерді күнделікті үйлестіруге жеткілікті. Олар көзге жеткіліксіз, өйткені олар пішіндерді ажырата алмайды немесе жарық қай жақтан келетінін анықтай алмайды. Көздің нүктелері жануарлардың барлық негізгі топтарында кездеседі және бір жасушалы организмдер арасында, соның ішінде еугленада кең таралған. Еугленаның көзінің алдыңғы жағында стигма деп аталатын нүктесі бар. Бұл - жарыққа сезімтал кристаллдар жиынтығын көлеңкелететін қызыл пигменттің кішкентай дақ. Алдыңғы флагельмен бірге көздің нүктесі ағзаның жарыққа жауап ретінде қозғалуына мүмкіндік береді, көбінесе фотосинтезге көмектесу үшін жарыққа қарай. Көздің өзі барлық көздерге ортақ негізгі биохимияға сүйенеді. Алайда, биохимиялық құралдар жиынтығының организмнің қоршаған ортасын түсіндіру үшін қолданылуы әртүрлі: көздің құрылымы мен формалары әртүрлі, олардың барлығы негізіндегі ақуыздар мен молекулаларға қарағанда өте кеш дамыған. Жасушалық деңгейде екі негізгі көз түрі бар, біреуі протостомалар (молюскалар, анелид құрттар және буынтылар), екіншісі деутеростомалар (хордаттар мен эхинодермалар) иеленеді. Протостомалардың көзінде олар микровилли: жасушалық мембрананың кеңейтулері немесе шығыңқылары. Бірақ деутеростомалардың көзінде олар көздің көзқарас жағынан бөлек құрылымдар - миндальдерден пайда болады. Нақты шығу күрделірек болуы мүмкін, өйткені кейбір микровиллилерде шеріктердің іздері бар, бірақ басқа байқаулар протостомалар мен деутеростомалар арасындағы негізгі айырмашылықты қолдайтын сияқты. осындай жүйеге ие. Алайда, бұл филалар тірі түрлердің 96% құрайды. Хромофор фотондарды сіңіріп алған кезде, химиялық реакция фотонның энергиясын электр энергиясына айналдырады және жоғары жануарларда жүйке жүйесіне жіберіледі. Бұл фоторецептор жасушалары желке қабығының бір бөлігін құрайды. Бұл жасушалардың жұқа қабаты миға визуалды ақпаратты, оның ішінде циркадтық ырғақ жүйесіне қажетті жарық пен күннің ұзақтығын қамтиды. Алайда кейбір медузалардың, мысалы, кладонемалардың (Cladonematidae) көздері өте жақсы, бірақ миы жоқ. Олардың көздері ми арқылы берілетін ақпаратсыз тікелей бұлшық еттерге хабар жібереді. Кембрий жарылысы кезінде көздің дамуы тез жылдамдады, суретті өңдеу және жарық бағытын анықтаудың түбегейлі жақсаруымен. Фотосезімтал жасушалар аймағы инвагинацияланғаннан кейін, жарық ашылу кеңдігін азайту, тостағанның тереңдеуін жалғастыруға қарағанда, визуалды ажыратуды арттыруда тиімдірек болды. Клеткалардың мөлдір өсіп-өнуі зақымдану мен паразиттік жұқтырудың алдын алды. Камераның құрамы, қазір бөлінген, бояуларды бояу үшін, бояуларды сүзгілеу, жоғары сыну көрсеткіші, ультрафиолет сәулесін бұғаттау немесе су ішінде және одан тыс жұмыс істеу мүмкіндігі сияқты оңтайландырулар үшін, ашық ауаға баяу мамандандыруға болады. Кейбір кластарда қабат организмнің қабығының немесе терісінің өзгеруіне байланысты болуы мүмкін. Бұған мысал ретінде онихофораларда көрінеді, мұнда қабықтың кутикуласы мүйіз қабығына жалғасады. Мүйіз қабығы жануардың жақында ауысқандығына байланысты бір немесе екі қабықтан тұрады. Көздің электромагниттік спектрдегі - көзге көрінетін спектрдегі - толқын ұзындығының нақты, тар диапазонын анықтауға маманданған негізгі себебі фотосезімділікті дамытатын алғашқы түрлер су жануарлары болған, ал су электромагниттік сәулеленуді сүзгілейді, тек толқын ұзындығы бойынша, біз көк деп атаймыз, ал біз қызыл деп атайтын ұзын толқын ұзындығы бойынша. Судың жарық өткізетін қасиеттері өсімдіктердің фотосезімділігіне де әсер етті.
Vision itself relies on a basic biochemistry which is common to all eyes. However, how this biochemical toolkit is used to interpret an organism's environment varies widely: eyes have a wide range of structures and forms, all of which have evolved quite late relative to the underlying proteins and molecules. At a cellular level, there appear to be two main types of eyes, one possessed by the protostomes (molluscs, annelid worms and arthropods), the other by the deuterostomes (chordates and echinoderms). In the eyes of protostomes, they are microvilli: extensions or protrusions of the cellular membrane. But in the eyes of deuterostomes, they are derived from cilia, which are separate structures. The actual derivation may be more complicated, as some microvilli contain traces of cilia – but other observations appear to support a fundamental difference between protostomes and deuterostomes. possess such a system. However, these phyla account for 96% of living species. When a photon is absorbed by the chromophore, a chemical reaction causes the photon's energy to be transduced into electrical energy and relayed, in higher animals, to the nervous system. These photoreceptor cells form part of the retina, a thin layer of cells that relays visual information, including the light and day length information needed by the circadian rhythm system, to the brain. However, some jellyfish, such as Cladonema (Cladonematidae), have elaborate eyes but no brain. Their eyes transmit a message directly to the muscles without the intermediate processing provided by a brain. During the Cambrian explosion, the development of the eye accelerated rapidly, with radical improvements in image processing and detection of light direction. After the photosensitive cell region invaginated, there came a point when reducing the width of the light opening became more efficient at increasing visual resolution than continued deepening of the cup. Overgrowths of transparent cells prevented contamination and parasitic infestation. The chamber contents, now segregated, could slowly specialize into a transparent humour, for optimizations such as colour filtering, higher refractive index, blocking of ultraviolet radiation, or the ability to operate in and out of water. The layer may, in certain classes, be related to the moulting of the organism's shell or skin. An example of this can be observed in Onychophorans where the cuticula of the shell continues to the cornea. The cornea is composed of either one or two cuticular layers depending on how recently the animal has moulted. It is likely that a key reason eyes specialize in detecting a specific, narrow range of wavelengths on the electromagnetic spectrum—the visible spectrum—is that the earliest species to develop photosensitivity were aquatic, and water filters out electromagnetic radiation except for a range of wavelengths, the shorter of which we refer to as blue, through to longer wavelengths we identify as red. This same light filtering property of water also influenced the photosensitivity of plants.
Линзаның пайда болуы және әртараптануы
Линзасыз көзде алыстан шыққан жарық көздің артқы жағына көздің диафрагмасының көлемімен бірдей әсер етеді. Лента қосылған кезде бұл кіретін жарық, стимулдың жалпы қарқындылығын азайтпай, кішігірім бет ауданына шоғырланады. Лентаның сыну индексінің одан кейінгі өсуі, мүмкін, фокуссыз суреттің пайда болуына әкелді. Эмбриондағы линза тірі тін болып табылады, бірақ жасушалық механизм мөлдір емес, сондықтан организм көруі үшін оны алып тастау керек. Механизмді алып тастау - линзаның кристаллиндермен толтырылған өлі клеткалардан құралғандығын білдіреді. Бұл кристаллиндер ерекше, өйткені олар мөлдірлік пен функциялар үшін қажет ерекше сипаттамаларға ие, мысалы, тығыз буып-түю, кристалдануға төзімділік және өте ұзақ өмір сүру, өйткені олар организмнің бүкіл өмірі бойы өмір сүруі керек. Жасушалардың мөлдір қабатын сақтау биологиялық тұрғыдан қиын. Өнерсіз, мөлдір материалды жинақтау қоректік заттармен қамтамасыз етуді және қалдықтарды жоюды жеңілдетті. Бұл жалпыға ортақ болжам, трилобиттер кальцитті қолданған, бұл минерал қазір көру үшін тек бір ғана жылдыз түрінде қолданылады. Фур формациясындағы 55 миллион жылдық кран құсының көздерін зерттеу трилобиттердің көзіндегі кальцит тафономикалық және диагенетикалық процестердің нәтижесі екенін және бастапқы ерекшелік емес екенін көрсетеді. Басқа құрамды көздер мен камера көздерінде материал кристаллинді болып табылады. Түйін қабаттарының арасындағы аралық табиғи түрде екі жақтан құйылған пішінді құрайды, бұл қалыпты сыну индексі бар заттар үшін оптикалық және механикалық жағынан өте қолайлы. Биконвекс линза тек оптикалық ажыратуды ғана емес, сонымен қатар диафрагма мен аз жарық қабілетін береді, өйткені ажырату енді тесіктің өлшемінен ажыратылады, ол қайтадан баяу өседі, қан айналымы шектеулерінен босатылады.
Сулы көкжиек, көкбұрышты қабық және мүйіз қабық
Көзден тыс түрде мөлдір қабаты мен мөлдір емес қабаты линзадан алға қарай бөлінеді: жеке мүйіз қабығы мен қиялы. (Бұл кристалл жинақталудан бұрын немесе кейін болуы мүмкін немесе мүлдем болмауы мүмкін.) Алдыңғы қабаттың бөлінуі тағы да сулы ахумды құрайды. Бұл рефракциялық қуатты арттырады және қан айналымындағы проблемаларды жеңілдетеді. Көздің мөлдір емес сақинасының пайда болуы қан тамырларының көбеюіне, қан айналымының артуына және көздің үлкен болуына мүмкіндік береді. Бұл жапсырма линзаның периметріне айналып, линзаның шеттерінде жиі кездесетін оптикалық кемшіліктерді жасырады. Линзаның кемшіліктерін жасыру қажеттілігі линзаның қисықтығы мен қуаты, жалпы линза мен көздің көлемі, аңшылық немесе тіршілік ету талаптарына байланысты организмнің ажырату қабілеті мен диафрагма қажеттіліктерімен біртіндеп артады. Бұл тип қазір омыртқалы жануарлардың, соның ішінде адамның көзімен бірдей. "Барлық омыртқалы жануарлардың көздерінің негізгі үлгісі бір-біріне ұқсас" екені рас.
Түстерді көру
Омыртқалы жануарларда 5 класты визуалды опсиндер кездеседі. Олардың біреуі ғана Циклостоматалар мен балықтардың ажырауына дейін дамыған. Бес опсин класы кездесетін жарық спектріне байланысты әртүрлі бейімделеді. Су арқылы жарық өтетіндіктен, қызыл және сары түсті бояулар сияқты ұзын толқын ұзындығы жасыл және көк түсті бояулардың қысқа толқын ұзындығынан тез сіңіріледі. Бұл спектрлік қуат тығыздығының градиентін жасайды, орташа толқын ұзындығы су тереңдігі өскен сайын қысқарады. Балықтардың көру опсиндары олардың тіршілік ету ортасындағы және тереңдіктегі жарық диапазонына аса сезімтал. Алайда, құрлықтық орта толқын ұзындығы құрамы бойынша өзгермейді, сондықтан құрлықтағы омыртқалы жануарлар арасында опсин сезімталдығы көп өзгермейді. Бұл тікелей байланыс түстерінің маңызды болуына ықпал етеді. Опсин молекулалары жарықтың түрлі толқын ұзындығын анықтауға бейімделгенде, фоторецептор жасушалары әртүрлі опсиндерді қолданған кезде, белгілі бір уақытта түстерді көру пайда болды. Алайда кейбір балықтар поляризацияланған жарықты ажырата алады, бұл олардың сызықтық фоторецепторлары бар екенін көрсетеді. Сонымен қатар, сепидалар жарықтың поляризациясын жоғары визуалды сенімділікпен қабылдауға қабілетті, бірақ олар түстерді ажыратудың маңызды қабілеті жоқ сияқты. Түстерді көру сияқты поляризацияға сезімталдық организмнің қоршаған заттар мен адамдарды ажырата білуге көмектеседі. Поляризделген жарықтың шеткі рефлексиялық кедергісі болғандықтан, ол көбінесе бағдарлау мен навигация үшін, сондай-ақ жасырын заттарды, мысалы, маскировкаланған олжаны ажырату үшін қолданылады. Назар аударыңыз, фокус әдісі талап етілмейді. Фотографтар білетіндей, диафрагманың кеңілуімен фокустық қателер артады. Осылайша, кішкентай көздері бар сансыз көп организмдер тікелей күн сәулесінде белсенділік танытады және ешқандай фокус механизмісіз өмір сүреді. Түрдің көлемі ұлғайып, немесе көлеңкелі ортаға ауысқанда, фокус етудің құралы тек бірте-бірте пайда болады.
Орналастыру
Жыртқыш аңдар әдетте аңға назар аудару үшін тереңдікті жақсырақ көру үшін бастарының алдыңғы жағында көздері болады. Жемқор жануарлардың көздері басының бір жағында болады, бұл жыртқыштарды кез келген бағытта анықтауға мүмкіндік береді. Плиталық балықтар - төменгі жағында жанына жатқан жыртқыш жануарлар, ал көздері бас жағында асимметриялы орналасады. Жалпы симметриялық позициядан асимметриялық позицияға ауысу фосилі - Амфистиум.