Історія ока
Всупереч думці багатьох людей, наша біологічна природа зберігає чимало недоліків. Усі значні наші особливості — результат еволюції. У ході цієї еволюції зберігаються ті ознаки, які сприяють виживанню своїх носіїв у характерних для них умовах життя.
Змінюється середовище, змінюється спосіб життя організмів, а спадок колишніх еволюційних змін нікуди не зникає. Багато результатів еволюції анахронічні, відповідають не теперішньому часу, а минулим етапам розвитку життя.
Один із яскравих прикладів такої недосконалості — будова нашого ока, зокрема та його особливість, яка пов'язана з утворенням сліпої плями. Йдеться про нечутливу до світла область на внутрішній поверхні ока, розташовану там, де сітківка пронизана зоровим нервом і кровоносною судиною. Найпростіший досвід, який дозволяє переконатися в наявності сліпої плями, можна провести самостійно, наприклад, керуючись наступними інструкціями. А тут ми докладно обговоримо причини появи в оці хребетних. Це, крім іншого, дозволить переконати читача у силі еволюційно-історичних пояснень.
Схема будови людського ока (ділянка сітківки показана у більшому збільшенні).
Світло в оці сприймається сітківкою - зоровим епітелієм, що складається з кількох шарів. До цієї тканини підходять нерви та кровоносні судини, але чомусь вони підведені не зовні, з боку судинної оболонки, а зсередини, з боку склоподібного тіла, тобто з того боку, звідки до сітківки надходить світло. Іншими словами, сітківка нашого ока інвертована (вивернута): її робоча поверхня звернена у бік, протилежний тій, у яку дивиться око. Жоднимиконструктивними міркуваннями таку особливість будови ока пояснити неможливо. Навпаки, у конструкції нашого органу зору видно деякі зміни, які мають пом'якшувати несприятливі наслідки інвертованості сітківки. Так, нервові волокна, що забезпечують зв'язок із клітинами сітківки, позбавлені захисних мієлінових оболонок. Це робить нерви прозорішими, але зменшує швидкість проходження ними сигналу.
Єдине пояснення, що дозволяє зрозуміти таку конструктивну дивина, корениться у нашій еволюційній історії. І розпочати це пояснення доведеться здалеку.
Ми належимо до багатотканинних тварин зі складним планом будови. Тіла таких тварин, від хробаків до хребетних, розвиваються із трьох зародкових листків — трьох пластів тканини, які в ході індивідуального розвитку формують усі органи та системи. Покривний лист зародкових тканин називається ектодерма. Внутрішній, пов'язаний із первинною кишкою, – ентодермою. Між цими листками розташована мезодерма. Якщо замислитися, стане ясно, що сприйняття інформації із зовнішнього середовища та обробка отриманих сигналів виявляється функцією, яку виконують похідні зовнішнього листка, ектодерми. Це з тим, що із зовнішнім середовищем взаємодіє саме покривний епітелій.
Утворення нервової трубки (нейруляція) у зародка людини. Зовнішній бік ектодерми відповідає внутрішній поверхні нервової трубки (використаний малюнок з nature.com).
У нашій еволюційній лінії — типі Хордові — центральна нервова система утворюється як трубка з покривів, що повертається до тіла. Перші хордові були невеликими, близько 10 см, тваринами, які плавали в товщі води завдяки бічним вигинам свого тіла і фільтрували потік води, що набігає. Тягнеться вздовж їхнього тіланервова трубка і забезпечувала хвилю скорочень мускулатури, що плавно пробігає вздовж їхнього тіла.
Шар ектодерми має зовнішню та внутрішню сторону. Зовнішня сторона звернена до зовнішнього середовища та формує рецептори. Внутрішня сторона контактує з мезодермою, що забезпечує харчування та підтримку ектодермального епітелію. Як ви розумієте, в нервовій трубці зовнішньої (утворюючої рецептори) стороні ектодерма відповідає не зовнішня, а внутрішня поверхня трубки!
Відбиток одного з перших представників нашого типу – пікай з кембрійських сланців Берджес. Поруч – сучасний ланцетник.
Нині таких тварин, якими були перші хордові, не залишилося. Товща води населена їх далекими нащадками — рибами, які не пропустять беззахисного фільтратора, що неквапливо пливе в товщі води. Із сучасних тварин найбільше нагадують перші хордові ланцетники — дрібні фільтратори, які зариваються від різноманітних небезпек у ґрунт. Органи почуттів ланцетників досить примітивні. Серед них – вічка Гессе, дрібні органи зору, які розташовані всередині нервової трубки! Справа в тому, що весь ланцетник напіврозмальований, і примітивним очам, які всього й можуть, що відрізняти світло від темряви, з точки зору їх роботи неважливо, де перебувати: на зовнішній ектодермальній поверхні (і «дивитися» при цьому на зовнішній світ ) або на внутрішній ектодермальній поверхні нервової трубки (і «дивитися» при цьому в порожнину трубки). А ось з точки зору безпеки спеціалізованих світлосприймаючих клітин їхнє розташування всередині тіла виявляється вигіднішим — менше шансів їх пошкодити. У нас є всі підстави припускати, що органи зору перших хордових були влаштовані подібно до очей Гессе у ланцетника.
Передня частина тіла ланцетника. ОчіГесс знаходяться всередині нервової трубки.
Як може удосконалитись конструкція фільтратора, що плаває в товщі води? Якщо він ефективно виявлятиме скупчення зважених у воді частинок, ефективність його харчування збільшиться. Якщо він зможе виявляти окремі великі частинки та вибірково їх поглинати, його ефективність стане ще вищою. Якщо ці частинки будуть живими, а фільтратор все-таки зможе їх поглинати, незважаючи на їхній опір, ця зміна теж виявиться кроком у бік більшої ефективності. Таким чином, активноплаваючі фільтратори згодом ставали активноплаваючими хижаками. Для таких тварин були дуже важливими органи чуття: і хімічні рецептори, і очі.
А дивилися ці тварини, як ми пам'ятаємо, із глибини своєї нервової трубки. З перебудовою їх харчування їх розміри зростали, вимоги до органу зору зростали. Чи потрібно було зберігати органи зору на всій довжині тіла? Ні, достатньо було забезпечити зір на голові частини тіла, зверненої в бік тих подразників, дію яких потрібно реєструвати. Як забезпечити прогрес органів зору? Наблизити ділянку нервової трубки, що містить світлові рецептори, ближче до поверхні. А як збільшити роздільну здатність таких очей? Перетворити ділянку покривів, що знаходиться над оком, що проростає зсередини, в світлозаломлюючу лінзу - кришталик.
У людського ембріона очі розвиваються способом, який нагадує про їхнє виникнення в ході еволюційної історії нашої групи. Нервова трубка утворює випинання, очні бульбашки, які «тягнуться» до поверхні. Епітелій над очним келихом утворює кришталик, під яким розташоване склоподібне тіло, що заповнює очну камеру, а сам виріст центральної нервової системи, складаючись, утворюєсітківку. Як видно з малюнка, сітківка відповідає двом складеним разом шарам нервової трубки. Рецептори в ній звернені в той бік, який відповідає зовнішній стороні покривів, тобто всередину самої сітківки! Живлення та іннервація цих рецепторів забезпечується з боку очної камери. Щоб її забезпечити, поверхня сітківки має бути «продірявлена» зоровим нервом і кровоносною судиною, що утворюють сліпу пляму.
Малюнок із класичного посібника з анатомії, що показує зріз голови людського ембріона на стадії очних бульбашок.
Ще одна деталь. Око головоногих молюсків влаштоване майже так само, як наше. Але в ньому сітківка не інвертована! Справа в тому, що органи зору молюсків виникали у тварин, які втратили прозорість. Очевидно, раковина у молюсків — значно більш давнє придбання, ніж очі. Очі молюсків розвивалися як вп'ячування їх поверхні, і тому ектодермальна частина їх сітківки дивиться всередину ока, а сполучнотканинний шар, що забезпечує його харчування, виявився зовні. Скажіть, чи можна було, не звертаючись до передісторії, зрозуміти, чому наше око влаштоване не як око молюсків, а набагато менш логічним чином? Ні. Кожен організм - результат і, якщо хочете, жертва своєї історії. На кожному кроці їхньої еволюції відбір забезпечує вирішення актуальних проблем, без урахування можливої еволюційної перспективи. Заглядати наперед в еволюції просто нема кому. Її головний механізм — переважне виживання та залишення потомства організмами, більш пристосованими до того способу життя, який вони ведуть, у тому середовищі, яке вони населяють. На кожному наступному етапі пристрої, які були досягнуті на попередньому, можуть виявитися анахронізмами. І ви думаєте, такі анахронізми характернітільки для будови наших тіл? Програми, що задають передумови нашої поведінки, також формувалися під час еволюції. Вони теж багато дивних особливостей, які не можна зрозуміти без урахування нашої історії. Що робити? Пізнавати себе, навіть дивлячись у те дзеркало, яке нам надає вивчення нашої еволюції.
Опубліковано в інтернет-виданні "Приватний кореспондент"