Введение

Происхождение и диверсификация органов зрения в геологическом времени Многие ученые нашли эволюцию глаза привлекательной для изучения, потому что глаз является отличительным примером аналогичного органа, найденного во многих формах животных. Простая световой детекция обнаруживается у бактерий, одноклеточных организмов, растений и животных. Сложные, образующие изображения глаза эволюционировали несколько раз независимо друг от друга. Различные глазки известны из сланца Берджесса среднего кембрийского периода и из немного более старого сланца залива Эму. Глаза различаются по остроте зрения, диапазону длин волн, которые они могут обнаружить, их чувствительности при отсутствии света, их способности обнаруживать движение или разрешать объекты, и могут ли они различать цвета.

История исследований

В 1802 году философ Уильям Пейли назвал это чудом "конструкции". В 1859 году сам Чарльз Дарвин написал в своем произведении "Происхождение видов", что эволюция глаза путем естественного отбора казалась на первый взгляд "абсурдной в максимально возможной степени". Он предложил поэтапную эволюцию от "зрительного нерва, просто покрытого пигментом, и без какого-либо другого механизма" до "умеренно высокой стадии совершенства", и привел примеры существующих промежуточных. Биолог Д. Э. Нильсон независимо выдвинул теорию о четырех общих стадиях эволюции глаза позвоночных из пятна фоторецепторов. Нильсон и С. Пелгер в классической работе подсчитали, что для развития сложного глаза у позвоночных животных требуется всего несколько сотен тысяч поколений. Другой исследователь, Г. Янг, использовал окаменелости, чтобы сделать эволюционные выводы, основываясь на структуре глазных орбит и отверстий в окаменелых черепах, через которые проходят кровеносные сосуды и нервы. Все это добавляет к растущему количеству доказательств, поддерживающих теорию Дарвина.

Скорость эволюции

Первые возможные окаменелости глаз, найденные на сегодняшний день, относятся к эдиакаранскому периоду (около ), в то время как самый старый окаменелый глаз - это окаменелость Schmidtiellus reetae от 530 млн лет назад, собранная в Савиранне в северной Эстонии. Структура похожа на сложные глаза современных стрекоз и пчел, но с (~ 100) омматидиями, расположенными дальше друг от друга, и без линзы. В нижнем кембрийском периоде произошел всплеск, по-видимому, быстрой эволюции, названный "камбрийским взрывом". Одной из многих гипотез о "причинах" кембрийского взрыва является теория "смена света" Эндрю Паркера: она утверждает, что эволюция продвинутых глаз начала гонку вооружений, которая ускорила эволюцию. До кембрийского взрыва животные, возможно, чувствовали свет, но не использовали его для быстрого передвижения или навигации зрением. Скорость эволюции глаз трудно оценить, потому что ископаемые данные, особенно нижнего кембрийского периода, бедны. Быстрота, с которой круговое пятно фоторецепторных клеток может эволюционировать в полностью функциональный глаз позвоночника, была оценена на основе скорости мутации, относительного преимущества для организма и естественного отбора. Однако время, необходимое для каждого состояния, было постоянно завышено, и время генерации было установлено на один год, что обычно встречается у мелких животных. Даже при таких пессимистических оценках, глаз позвоночных все равно мог эволюционировать из фоторецепторных клеток менее чем за 364 000 лет.

Истоки глаза

Развитие глаза раз или много раз зависит от определения глаза. Все гладкие животные имеют большую часть генетического механизма для развития глаз. Это говорит о том, что у предка глазных животных была некая форма светочувствительной машины, даже если это не был специальный оптический орган. Однако даже фоторецепторные клетки могли эволюционировать более одного раза из молекулярно похожих химиорецепторных клеток. Вероятно, фоторецепторные клетки существовали задолго до кембрийского взрыва. Сходство более высокого уровня, такое как использование белка кристаллина в линзах, полученных независимо от головных и позвоночных, отражает содействие более фундаментального белка новой функции в глазу. Общая черта, общая для всех светочувствительных органов, - опсины. Опсины относятся к семейству фоточувствительных белков и делятся на девять групп, которые уже существовали в урбилатерии, последнем общем предке всех двусторонне симметричных животных. Кроме того, генетический инструментарий для определения положения глаз разделяется всеми животными: ген PAX6 контролирует, где развиваются глаза у животных, начиная от осьминогов до мышей и плодовых мух. Такие гены высокого уровня, по сути, намного старше, чем многие структуры, которые они контролируют сегодня; они должны были изначально служить другой цели, прежде чем они были использованы для развития глаз.

Этапы эволюции

Самыми ранними предшественниками глаза были фоторецепторные белки, которые ощущают свет, встречающиеся даже в одноклеточных организмах, называемых "глазными пятнами". Мягкие точки могут воспринимать только окружающую яркость: они могут различать свет от тьмы, что достаточно для фотопериодизма и ежедневной синхронизации циркадных ритмов. Они недостаточны для зрения, так как не могут различать формы или определять направление, из которого исходит свет. Очковые пятна встречаются почти во всех основных группах животных и распространены среди одноклеточных организмов, включая эуглену. На переднем конце у эуглены расположена точка в глазу, называемая стигмой. Это небольшое пятно красного пигмента, которое окрашивает коллекцию светочувствительных кристаллов. Вместе с ведущим флагелем, глазное пятно позволяет организму двигаться в ответ на свет, часто в сторону света, чтобы помочь в фотосинтезе. Само зрение опирается на базовую биохимию, которая общая для всех глаз. Однако то, как этот биохимический инструментарий используется для интерпретации окружающей среды организма, сильно варьируется: глаза имеют широкий спектр структур и форм, все из которых эволюционировали довольно поздно по сравнению с основными белками и молекулами. На клеточном уровне, по-видимому, существует два основных типа глаз, один из которых обладает протостомами (меллюсками, червями-аннелидами и членистоногими), другой - деутеростомами (хордаты и эхинодермы). В глазах протостомов они представляют собой микровилли: расширения или выступы клеточной мембраны. Но в глазах деутеростомов они происходят от ресниц, которые являются отдельными структурами. Фактическое происхождение может быть более сложным, поскольку некоторые микровилли содержат следы ресниц, но другие наблюдения, по-видимому, подтверждают фундаментальное различие между протостомами и дейтеростомами. обладают такой системой. Однако эти роды составляют 96% всех живых видов. Когда фотон поглощается хромофором, химическая реакция заставляет энергию фотона преобразовываться в электрическую энергию и передавать ее, у высших животных, в нервную систему. Эти фоторецепторные клетки образуют часть сетчатки, тонкого слоя клеток, передающего визуальную информацию, включая информацию о длине дня и свете, необходимую для циркадного ритма, в мозг. Однако у некоторых медуз, например у кладонимы (Cladonematidae), глаза сложны, но мозга нет. Их глаза передают сообщение непосредственно мышцам без промежуточной обработки, обеспечиваемой мозгом. Во время кембрийского взрыва развитие глаза ускорилось, с радикальными улучшениями в обработке изображений и обнаружении направления света. После того, как инвагинация фоточувствительной области клеток произошла, наступил момент, когда уменьшение ширины светового отверстия стало более эффективным для увеличения визуального разрешения, чем продолжение углубления чашки. Избыточный рост прозрачных клеток предотвращал заражение и заражение паразитами. Содержимое камеры, теперь разделенное, может медленно специализироваться на прозрачном юморе для оптимизации, такой как цветовая фильтрация, более высокий показатель преломления, блокировка ультрафиолетового излучения или способность работать в воде и вне воды. В некоторых классах слой может быть связан с пересадкой оболочки или кожи организма. Пример этого можно наблюдать у онихофоранов, где кутикула оболочки продолжается до роговицы. Роговица состоит из одного или двух кутикулярных слоев в зависимости от того, как недавно животное переросло. Вероятно, главная причина, по которой глаза специализируются на обнаружении узкого диапазона длин волн электромагнитного спектра - видимого спектра, заключается в том, что самые ранние виды, развившие фоточувствительность, были водными, и вода отфильтровывает электромагнитное излучение, за исключением диапазона длин волн, более короткие из которых мы называем синими, до более длинных длин волн, которые мы идентифицируем как красные. Это же светофильтрующее свойство воды также влияло на светочувствительность растений.

Формирование и диверсификация линз

В глазу без линзы свет, исходящий из отдаленной точки, попадает на заднюю часть глаза примерно с таким же размерами, как и диафрагма глаза. С добавлением линзы этот входящий свет концентрируется на меньшей площади поверхности, не уменьшая общей интенсивности стимула. Последующее увеличение показателя преломления линзы, вероятно, привело к образованию изображения без фокуса. В эмбрионе линза - это живая ткань, но клеточный механизм не прозрачен, поэтому его нужно удалить, прежде чем организм сможет видеть. Удаление механизма означает, что линза состоит из мертвых клеток, заполненных кристаллинами. Эти кристаллины особенны, потому что они обладают уникальными характеристиками, необходимыми для прозрачности и функции линзы, такими как плотное упаковка, устойчивость к кристаллизации и чрезвычайно долголетие, поскольку они должны выживать в течение всей жизни организма. Биологически сложно поддерживать прозрачный слой клеток. Осаждение прозрачного, неживого материала облегчило потребность в питательных веществах и удалении отходов. Это общепринятое предположение, что трилобиты использовали кальцит, минерал, который сегодня используется для зрения только в одном виде хрупкой звезды. Исследования глаз из 55 миллионов летних окаменелостей крановой мухи из Формации Фур показывают, что кальцит в глазах трилобитов является результатом тафономических и диагенетических процессов, а не оригинальной особенностью. В других сложных глазах и камерах материал кристаллический. Разрыв между слоями тканей естественным образом образует биконвексную форму, которая оптически и механически идеальна для веществ с нормальным показателем преломления. Биконвексная линза дает не только оптическое разрешение, но и способность к диафрагме и низкому освещению, поскольку разрешение теперь отделено от размера отверстия , который медленно снова увеличивается, свободно от ограничений кровообращения.

Водный мочевой шар, радужная оболочка и роговица

Независимо от линзы, прозрачный слой и непрозрачный слой могут разделиться вперед: отдельная роговица и радужная оболочка. (Это может произойти до или после осаждения кристалла, или вообще не происходит.) Разделение переднего слоя снова образует гумор, водный гумор. Это увеличивает рефракционную способность и вновь облегчает проблемы с кровообращением. Формирование непрозрачного кольца позволяет увеличить количество кровеносных сосудов, увеличить циркуляцию и увеличить размер глаз. Этот откид вокруг периметра линзы также маскирует оптические несовершенства, которые чаще встречаются на краях линз. Необходимость маскировать недостатки линз постепенно увеличивается с кривизной и мощностью линз, общим размером линз и глаз, а также с разрешением и потребностями организма в диафрагме, обусловленными требованиями охоты или выживания. Этот тип теперь функционально идентичен глазу большинства позвоночных, включая людей. И действительно, "очи всех позвоночных одинаковы".

Цветовое зрение

Пять классов визуальных опсинов встречаются у позвоночных. Все, кроме одного, развились до дивергенции циклостоматов и рыб. Пять классов опсинов различно адаптированы в зависимости от светового спектра, с которым сталкиваются. Поскольку свет проходит через воду, более длинные волны, такие как красные и желтые, поглощаются быстрее, чем более короткие волны зеленых и синих. Это создает градиент в спектральной плотности мощности, при этом средняя длина волны становится короче по мере увеличения глубины воды. Визуальные опсины у рыб более чувствительны к диапазону света в их среде обитания и глубине. Однако наземные среды не различаются по составу длин волн, поэтому чувствительность опсина среди наземных позвоночных не сильно различается. Это напрямую способствует значительному присутствию цветов связи. Поскольку молекулы опсина были настроены на обнаружение различных длин волн света, в какой-то момент цветовое зрение развилось, когда фоторецепторные клетки использовали различно настроенные опсины. Однако некоторые рыбы способны различать поляризованный свет, что свидетельствует о наличии у них линейных фоторецепторов. Кроме того, каракатицы способны воспринимать поляризацию света с высокой визуальной точностью, хотя, похоже, им не хватает какой-либо значительной способности к дифференциации цветов. Подобно цветовому зрению, чувствительность к поляризации может помочь организму различать окружающие объекты и индивидуумов. Из-за незначительных отражательных помех поляризованного света, он часто используется для ориентации и навигации, а также для различения скрытых объектов, таких как замаскированная добыча. Обратите внимание, что метод фокусировки не является обязательным. Как известно фотографам, фокусная погрешность увеличивается с увеличением диафрагмы. Таким образом, бесчисленное множество организмов с маленькими глазами активно работают на солнечном свете и выживают без какого-либо механизма фокусировки. По мере того, как вид становится больше, или переходит в более тусклую среду, средства фокусировки должны появляться только постепенно.

Размещение

У хищников глаза обычно на передней части головы, чтобы лучше видеть глубину и сосредоточиться на добыче. Глаза хищных животных, как правило, находятся сбоку головы, что дает широкое поле зрения, чтобы обнаружить хищников из любого направления. Плоские рыбы - хищники, которые лежат на боку на дне, и имеют глаза, расположенные асимметрично на одной стороне головы. Переходным ископаемым от общего симметричного положения к асимметричному положению является Амфистиум.