Эволюция глаза: почему глаза всех живых существ имеют схожую природу

Самые трудные из проблем — как раз очевидные. Даже ребенку. Ведь все знают, как трудно ответить на детские вопросы. А что может быть очевиднее ока, то есть глаза, органа зрения — на языке биологов. Подходящий же к случаю детский вопрос (заданный в зоопарке) был таков: «Мама, а почему у рыбы глаза, как у тебя?». И в самом деле, почему? И экологи, и эволюционисты, и морфологи, и систематики заняты разнообразием живых форм. Оно их не перестает удивлять, подавлять, они опасаются, что разнообразие слишком уменьшится, они спорят о том, как оно произошло. В научных дискуссиях упоминается, по крайней мере, десяток вполне приемлемых доводов, почему жизнь так богата на выдумку. Единообразие же нас совсем не удивляет, а между тем оно-то очень часто практически не имеет никаких объяснений, кроме одного — объяснения прямым родством.

Но вернемся к детскому вопросу. Каждый взрослый скажет, что как раз глаза, то бишь органы зрения, напротив, крайне разнообразны. «Глаза бывают парными, множественными и одиночными, подвижными и неподвижными, выступающими, иногда разнесенными далеко по сторонам, как окуляры стереотрубы-дальномера, и погруженными, с фасетированной и гладкой роговицей, блестящими или раскрашенными в радужные цвета, камуфлированными густо сидящими волосами-хетами, могут быть относительно маленькими и громадными, занимающими почти всю поверхность головы»,— вот как говорит один из «взрослых», специалист в глазном деле.

Но он же именно как специалист соглашается с ребенком: сами-то глаза, их работа, механизм их действия у человека совсем как у рыбы и как у осьминога, и даже как у осы. Это поразительное единообразие, случаи «загадочного совпадения принципов работы и удивительно быстрой эволюции этих самых сложных» чувствительных систем в животном царстве и заставляют задуматься. Откуда такая бедность? Вот оформить глаз можно по-разному: с бровями и без бровей, с ресницами и без них, что же касается сути, здесь природой выдан строгий ряд однообразных изобретений, и главное из них — зрительный пигмент, родопсин.

«Зрительные пигменты заслуживают особого внимания как кардинальный признак глаза, предопределенный самой природой физического стимула. Улавливая отдельные фотоны строго определенной энергии, именно пигмент выделяет сигнал — световую волну — из иноволнового, например теплового, «шума»,— пишет специалист.

Словом, именно пигмент позволяет видеть. И есть только одно органическое вещество — родопсин (и его производные), уникально приспособленное для восприятия солнечного света. Известный биохимик Уолд заметил даже, что если где-нибудь в космосе есть зрячие организмы, то у них обязательно будет найден родопсин.

Что касается нашей собственной планеты, то здесь высокоорганизованные, обеспечивающие предметное зрение глаза возникали целых четыре раза, и каждый раз совершенно самостоятельно, то есть не передались по наследству, пусть даже от дальних соседей на родословном древе. И все четыре раза основой им служило одно и то же светочувствительное вещество — родопсин. Вот эти случаи: глаза кольчатых червей, моллюсков, членистоногих и позвоночных. И ожидать, что когда-либо в природе найдется какая-то принципиально новая зрительная система, видимо, не приходится.

Единообразие живой природе диктует неживая — физическая природа света, говорят специалисты. Глаз должен откликаться только на свет, не откликаясь ни на что другое, ни на тепловые, ни на какие-либо иные волны. Притом нужно еще, чтобы он точно определял местонахождение источника света, как правило, отраженного. Потому и светочувствительное вещество одно и то же. Поэтому и организован глаз у всех животных по сходному принципу. В любом глазу есть фокусирующий аппарат и аппарат светоизоляции. Совместно они обеспечивают направленность зрения. В любом глазу имеется и устройство, подстраивающее чувствительность к разным уровням освещения. Эти устройства можно найти в глазах и осьминога, и человека. Так что непосредственный, детский взгляд на мир, как всегда, оказывается самым наблюдательным.

Но где же тут все-таки место случайности, «правящей бал» в живой природе? Природа почему-то предпочитает повторяться и в мелочах, то есть в самых тонких механизмах и способах работы разных глаз. Повторения эти разнообразны. Например, даже у позвоночных цветовое зрение возникало тоже несколько раз, в пределах одного класса. Однако особым разнообразием возникшие устройства не отличаются. Но дело не только в этом. Есть такое понятие — константность восприятия окраски. Свет, отраженный предметом, неодинаков. Он зависит от цвета окружающих его вещей. Белый снег в тени синий, а около желтого здания — желтый и т. п. Это хорошо знают живописцы. И чтобы не ошибиться в оценке истинного цвета, надо отличать собственную окраску предмета от цвета освещения, внося на него «поправку». Это и есть константное восприятие. Так вот, этим свойством обладают такие дальние «ветви» эволюции, как, скажем, рыбы и жабы, и обезьяны. Значит, сложнейший механизм — «внесение поправки на освещение» тоже возникал всякий раз независимо.

И еще одно тонкое изобретение в дополнение к основному зрительному устройству — латеральное торможение. Это замечательное достижение природы, благодаря которому резко улучшается качество воспринимаемого изображения, избирательно выделяются его контуры.

Благодаря ему высшие отделы мозга довольствуются меньшим количеством поступающей информации. Ведь часто, чтобы опознать предмет, надо только «оконтурить» его. Мышей пугает контур хищной птицы. У нас тоже вызывают подсознательный ужас иные контуры, например тигриная морда. Так вот, и это качество, как выяснилось из опытов, есть не только у нас и мышей, но есть и у пчел, у дрозофил, наконец.

Нам скажут, что и латеральное торможение, и константность восприятия — пусть не единственный, зато самый эффективный способ выделить полезный сигнал в хаосе ощущений. Но это слабое возражение. В природе можно найти множество весьма эффективных изобретений, которые почему-то не повторялись. Главное же — в зрительной системе отыщутся феномены, причина сходства которых еще менее поддается осмыслению.

Скажем, мы можем видеть предмет, только если наш глаз постоянно движется, оглядывая его. Неподвижный, постоянный сигнал мы перестаем ощущать. Нейрофизиологи сделали вывод, что среди нейронов в центральной нервной системе, анализирующих поступающие сигналы, преобладают фазовые, реагирующие на постоянную смену возбуждения. И этот — тоже экономный и тоже не единственно возможный — способ получения информации предписан всем животным.

Наверное, хватит примеров. В каждом из них упорное постоянство природы можно объяснить неизбежностью или рациональностью, либо чем-то иным. Но объяснения ли это? Достаточны ли они, если даже вполне законны, если в других случаях мы имеем дело с ошеломляющим разнообразием без всяких попыток повтора?

Однако как же быть с фасеточным зрением членистоногих, о котором все наслышаны как о чуде природы (почему-то кажется более чудесным множество глаз на голове, чем два или один)?

Для зрения мух, муравьев и стрекоз эволюцией были дважды предусмотрены резкие видоизменения в традиционной единообразной конструкции: не камерный — «общепринятый» — глаз, а фасеточный. К тому же обладающий способностью улавливать поляризованный свет неба и способный ориентироваться по нему. Предполагается, что фоточувствительные элементы для такого глаза были «изготовлены» не из тех же частей, что для других глаз, но из одних и тех же рецепторных клеток, принадлежавших общему предку и членистоногих, и остальных ветвей эволюции.

Правда, «обычные» глаза у насекомых тоже есть — на темени. Так что фасеточное зрение — это «спецоснащение», придуманное для членистоногих. И главное — это лишь вариация на ту же тему, а не новый принцип. В ее основе — та же фотохимия, общие многие механизмы, да и в итоге разница невелика: фасеточные глаза неподвижны, зато их много, они хуже видят, когда имеют дело с неподвижными предметами, зато замечают малейшее движение. (Кстати, есть сведения, что хоть и в виде исключения, но поляризованные лучи замечают и рыбы, и голуби, и даже люди. Так что и здесь у природы пусть не доведенная до конца, но заметна тяга к одинаковости.)

О других видоизменениях этого очевидного ее стандарта можно и не говорить. Они не выходят за рамки усовершенствований, «рацпредложений», призванных подстроить генеральную конструкцию к жизненным целям вида.

И все-таки: почему именно членистоногие, в особенности насекомые, почти пренебрегли столбовой дорогой эволюции — камерным глазом, ранее изобретенным, вполне совершенным даже у головоногих моллюсков, а здесь оставшимся в зачаточном состоянии?

История класса насекомых доказывает, что без фасеточных глаз им бы просто не прожить: слишком эти букашки малы, чтобы пара камерных глаз (соответствующих хозяину размеров) смогла бы им обеспечить, да еще в полете, нужную ориентацию. Камерные глаза оказались хороши лишь для крупных тварей. Насекомым нужно было спасаться от многочисленных врагов — птиц и с ходу и с лета различать, иногда на большом расстоянии, ничтожной величины объекты (например, цветы), знать, какого они цвета, наконец, контролировать собственный полет (иначе говоря, не натыкаться на стены, а то и на своих врагов). К тому же надо было научиться ориентироваться в необозримом мире, поскольку жизнь букашек и таракашек чаще всего очень беспокойна и полна передвижения. Всем этим нуждам и удовлетворяет фасеточное зрение: «при нем экономится внутренний объем и общая масса тела, расширено общее поле зрения, в центре поля зрения повышена разрешающая сила» (фотографы знают, что это такое) и т. п.

Таким образом, картина эволюции зрения у насекомых рисуется почти безупречной, если бы эту безупречность не портили напрочь стрекозы. Они вообще, как известно, загадка природы. «Давным-давно, вскоре после расхождения с общим предком всех крылатых насекомых, они приобрели высокоспециализированные стрекозиные черты, удерживаемые в том или ином виде и поныне»,— так пишет специалист. Например, «у них уникально устроены грудь и весь летательный мотор». «Что касается органов зрения, то у стрекоз вне связи с цветковой растительностью и при сравнительно малом числе врагов, но в связи с изначально охотничьим подвижным образом жизни развились громадные совершенные фасеточные глаза (и теменные глазки), не уступающие таковым у более молодых групп хорошо летающих насекомых».

И ничем эти глаза не хуже мушиных или пчелиных, а ведь мухи и пчелы — венец эволюции насекомых, стрекозы же — самая древняя ее ветвь. Выходит, их зрительный аппарат возник как бы вдруг. А потом еще долго возникал заново, по второму разу, медленно совершенствуясь, пока не достиг уже достигнутого.

Выходит совершенная несуразица: могучая одинокая ветвь, да еще с сучком на голом стволе. Такой рисуется эволюция глаза. Одна-единственная яркая оригинальность, а рядом с ней — упорная тяга к постоянству. В развитии зрительного органа не остается места случайности там, где ей положено быть по теории, зато с той же теоретической точки зрения много необъяснимого. А самостоятельные попытки — и многочисленные — воссоздания одних и тех же механизмов глаза никак не вписываются в идею строгого ветвления эволюционного древа от общего ствола. И ведь это касается не какой-то частной детали живого организма.

Вот над какими фундаментальными проблемами заставляют задуматься, казалось бы, очевидные вещи.

Автор: Т. Чеховская.