Еволюція ока: чому очі всіх живих істот мають схожу природу
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Найважчі з проблем – якраз очевидні. Навіть дитині. Адже всі знають, як важко відповісти на дитячі питання. А що може бути очевидніше ока, органу зору — на мові біологів. Відповідне ж до випадку дитяче питання (поставлене в зоопарку) було таке: «Мама, а чому у риби очі, як у тебе?». І справді, чому? І екологи, і еволюціоністи, і морфологи, і систематики зайняті різноманітністю живих форм. Вона їх не перестає дивувати, пригнічувати, вони побоюються, що різноманітність занадто зменшиться, вони сперечаються про те, як воно сталося. У наукових дискусіях згадується, принаймні, десяток цілком прийнятних доводів, чому життя таке багате на вигадку. Однаковість же нас зовсім не дивує, а тим часом вона-то дуже часто практично не має ніяких пояснень, крім одного — пояснення прямою спорідненістю.
Але повернімося до дитячого питання. Кожен дорослий скаже, що якраз очі, чи то пак органи зору, навпаки, вкрай різноманітні. «Очі бувають парними, множинними і одиночними, рухливими і нерухомими, виступаючими, іноді рознесеними далеко по сторонах, як окуляри стереотруби далекоміра, і зануреними, з фасетованою та гладкою рогівкою, блискучими або розфарбованими в райдужні кольори, камуфльованими густим волоссям-хетами, можуть бути відносно маленькими і величезними, що займають майже всю поверхню голови»,— ось як говорить один з «дорослих», фахівець в очній справі.
Але він же саме як фахівець погоджується з дитиною: самі-то очі, їх робота, механізм їх дії у людини зовсім як у риби і як у восьминога, і навіть як у оси. Це вражаюча одноманітність, випадки загадкового збігу принципів роботи і дивно швидкої еволюції цих найскладніших чутливих систем в тваринному царстві і змушують задуматися. Звідки така бідність? Ось оформити око можна по-різному: з бровами і без брів, з віями і без них, що ж стосується суті, тут природою виданий строгий ряд одноманітних винаходів, і головний з них – зоровий пігмент, родопсин.
«Зорові пігменти заслуговують на особливу увагу як кардинальна ознака ока, зумовлена самою природою фізичного стимулу. Вловлюючи окремі фотони строго певної енергії, саме пігмент виділяє сигнал – світлову хвилю — з інохвильового, наприклад теплового, «шуму», – пише фахівець.
Словом, саме пігмент дозволяє бачити. І є тільки одна органічна речовина – родопсин (та її похідні), унікально пристосована для сприйняття сонячного світла. Відомий біохімік Уолд зауважив навіть, що якщо де-небудь в космосі є зрячі організми, то у них обов’язково буде знайдений родопсин.
Що стосується нашої власної планети, то тут високоорганізовані, що забезпечують предметний зір очі виникали цілих чотири рази, і кожен раз абсолютно самостійно, тобто не передалися у спадок, нехай навіть від далеких сусідів на родовідному дереві. І всі чотири рази основою їм служила одна і та ж світлочутлива речовина — родопсин. Ось ці випадки: очі кільчастих черв’яків, молюсків, членистоногих і хребетних. І очікувати, що коли-небудь в природі знайдеться якась принципово нова зорова система, мабуть, не доводиться.
Однаковість живій природі диктує нежива – фізична природа світла, як кажуть фахівці. Око повинне відгукуватися тільки на світло, не відгукуючись ні на що інше, ні на теплові, ні на будь-які інші хвилі. Притому потрібно ще, щоб воно точно визначало місцезнаходження джерела світла, як правило, відбитого. Тому і світлочутлива речовина одна і та ж. Тому і організоване око у всіх тварин за подібним принципом. У будь-якому оці є фокусуючий апарат і апарат світлоізоляції. Спільно вони забезпечують спрямованість зору. У будь-якому оці є і пристрій, що підлаштовує чутливість до різних рівнів освітлення. Ці пристрої можна знайти в очах і восьминога, і людини. Так що безпосередній, дитячий погляд на світ, як завжди, виявляється самим спостережливим.
Але де ж тут все-таки місце випадковості «правлячої бал» в живій природі? Природа чомусь вважає за краще повторюватися і в дрібницях, тобто в самих тонких механізмах і способах роботи різних очей. Повторення ці різноманітні. Наприклад, навіть у хребетних колірний зір виникав теж кілька разів, в межах одного класу. Однак особливою різноманітністю виниклі пристрої не відрізняються. Але справа не тільки в цьому. Є таке поняття – константність сприйняття забарвлення. Світло, відбите предметом, неоднакове. Воно залежить від кольору оточуючих його речей. Білий сніг в тіні синій, а біля жовтої будівлі — жовтий і т. п. Це добре знають живописці. І щоб не помилитися в оцінці істинного кольору, треба відрізняти власне забарвлення предмета від кольору освітлення, вносячи на нього «поправку». Це і є константне сприйняття. Так ось, цією властивістю володіють такі далекі «гілки» еволюції, як, скажімо, риби, жаби, і мавпи. Значить, складний механізм – «внесення поправки на освітлення» теж виникав щоразу незалежно.
І ще один тонкий винахід на додаток до основного зорового пристрою – латеральне гальмування. Це чудове досягнення природи, завдяки якому різко поліпшується якість сприйманого зображення, вибірково виділяються його контури.
Завдяки йому вищі відділи мозку задовольняються меншою кількістю інформації, що надходить. Адже часто, щоб впізнати предмет, треба тільки «оконтурити» його. Мишей лякає контур хижого птаха. У нас теж викликають підсвідомий жах деякі контури, наприклад тигрова морда. Так ось, і ця якість, як з’ясувалося з дослідів, є не тільки у нас і мишей, але є і у бджіл, у дрозофіл, нарешті.
Нам скажуть, що і латеральне гальмування, і константність сприйняття — нехай не єдиний, зате найефективніший спосіб виділити корисний сигнал в хаосі відчуттів. Але це слабке заперечення. У природі можна знайти безліч вельми ефективних винаходів, які чомусь не повторювалися. Головне ж – в зоровій системі знайдуться феномени, причина подібності яких ще менш піддається осмисленню.
Скажімо, ми можемо бачити предмет лише в тому випадку, якщо наше око постійно рухається, оглядаючи його. Нерухомий, постійний сигнал ми перестаємо відчувати. Нейрофізіологи зробили висновок, що серед нейронів в центральній нервовій системі, що аналізують вхідні сигнали, переважають фазові, що реагують на постійну зміну збудження. І цей – теж економний і теж не єдино можливий — спосіб отримання інформації наказаний всім тваринам.
Напевно, вистачить прикладів. У кожному з них наполегливу сталість природи можна пояснити неминучістю або раціональністю, або чимось іншим. Але чи це пояснення? Чи достатні вони, якщо навіть цілком законні, якщо в інших випадках ми маємо справу з приголомшливою різноманітністю без всяких спроб повтору?
Однак як же бути з фасеточним зором членистоногих, про який всі чули як про диво природи (чомусь здається більш чудовим безліч очей на голові, ніж два або одне око)?
Для зору мух, мурах і бабок еволюцією були двічі передбачені різкі видозміни в традиційній однакової конструкції: не камерне — «загальноприйняте» — око, а фасеточне. До того ж таке, що володіє здатністю вловлювати поляризоване світло неба і здатне орієнтуватися по ньому. Передбачається, що фоточутливі елементи для такого ока були «виготовлені» не з тих же частин, що для інших очей, але з одних і тих же рецепторних клітин, що належали загальному предку і членистоногих, й інших гілок еволюції.
Правда, «звичайні» очі у комах теж є — на тімені. Так що фасеточний зір – це «спец оснащення», придумане для членистоногих. І головне – це лише варіація на ту ж тему, а не новий принцип. В її основі – та ж фотохімія, спільні багато механізмів, та й в результаті різниця невелика: фасеточні очі нерухомі, зате їх багато, вони гірше бачать, коли мають справу з нерухомими предметами, зате помічають найменший рух. (До речі, є відомості, що хоч і як виняток, але поляризовані промені помічають і риби, і голуби, і навіть люди. Так що і тут у природи нехай не доведена до кінця, але помітна тяга до однаковості.)
Про інші видозміни цього очевидного її стандарту можна і не говорити. Вони не виходять за рамки удосконалень, «рацпропозицій», покликаних підлаштувати генеральну конструкцію до життєвих цілей виду.
І все-таки: чому саме членистоногі, особливо комахи, майже знехтували стовповою дорогою еволюції – камерним оком, раніше винайденим, цілком досконалим навіть у головоногих молюсків?
Історія класу комах доводить, що без фасеточних очей їм би просто не прожити: занадто ці комашки малі, щоб пара камерних очей (відповідних господареві розмірів) змогла б їм забезпечити, та ще в польоті, потрібну орієнтацію. Камерні очі виявилися гарні лише для великих тварюк. Комахам потрібно було рятуватися від численних ворогів — птахів і з ходу і з польоту розрізняти, іноді на великій відстані, незначної величини об’єкти (наприклад, квіти), знати, якого вони кольору, нарешті, контролювати власний політ (інакше кажучи, не натикатися на стіни, а то і на своїх ворогів). До того ж треба було навчитися орієнтуватися в неозорому світі, оскільки життя комашок найчастіше дуже неспокійне і сповнене пересування. Всім цим потребам і задовольняє фасеточний зір: «при ньому економиться внутрішній об’єм і загальна маса тіла, розширено загальне поле зору, в центрі поля зору підвищена роздільна сила» (фотографи знають, що це таке) і т. п.
Таким чином, картина еволюції зору у комах малюється майже бездоганною, якби цю бездоганність не псували геть бабки. Вони взагалі, як відомо, загадка природи. «Давним-давно, незабаром після розбіжності із загальним предком всіх крилатих комах, вони придбали високоспеціалізовані бабкові риси, утримувані в тому чи іншому вигляді і понині»,— так пише фахівець. Наприклад, «у них унікально влаштовані груди і весь літальний мотор». «Що стосується органів зору, то у бабок поза зв’язком з квітковою рослинністю і при порівняно малому числі ворогів, але в зв’язку з спочатку мисливським рухомим способом життя розвинулися величезні досконалі фасеточні очі (і тім’яні очі), які не поступаються таким у більш молодих груп добре літаючих комах».
І нічим ці очі не гірше мушиних або бджолиних, але ж мухи і бджоли — вінець еволюції комах, бабки ж — найдавніша її гілка. Виходить, їх зоровий апарат виник як би раптом. А потім ще довго виникав заново, по другому разу, повільно вдосконалюючись, поки не досяг вже досягнутого.
Виходить досконала нісенітниця: могутня самотня гілка, та ще з сучком на голому стовбурі. Такою малюється еволюція ока. Одна-єдина яскрава оригінальність, а поруч з нею — наполеглива тяга до сталості. У розвитку зорового органу не залишається місця випадковості там, де їй належить бути по теорії, зате з тієї ж теоретичної точки зору багато незрозумілого. А самостійні спроби – і численні відтворення одних і тих же механізмів ока ніяк не вписуються в ідею суворого розгалуження еволюційного древа від загального стовбура. І адже це стосується не якоїсь приватної деталі живого організму.
Ось над якими фундаментальними проблемами змушують задуматися, здавалося б, очевидні речі.
Автор: Т. Чеховська.