Вот уже второе столетие биологи спорят о происхождении зрения. Одни - вслед за Чарльзом Дарвином - полагают, что все органы зрения, встречаемые у животных, можно свести к одному-единственному прототипу - своего рода «первоглазу». Их оппоненты считают, что все эти органы возникали независимо друг от друга. Кто же прав? Лишь в последние годы благодаря математическим моделям и открытиям генетиков тайна понемногу начала раскрываться.
Долгий путь от эвглены до человека!
Эвглена зеленая
Все органы зрения предназначены для того, чтобы захватывать отдельные частицы света - фотоны. Вполне возможно, что еще в докембрийский период жили организмы, способные воспринимать свет. Это могли быть и многоклеточные существа, и одноклеточные. Однако первое известное нам животное, наделенное зрением, появилось около 540 миллионов лет назад. А всего через сто миллионов лет уже существовали все известные нам сегодня типы органов зрения. Нам остается лишь правильно расставить их, чтобы понять их эволюцию.
У одноклеточных животных, например эвглены зеленой, имеется лишь светочувствительное пятно - «глазок». Оно различает свет, что жизненно важно для эвглены, ведь без энергии света в ее организме не может протекать фотосинтез, а значит, не образуются органические вещества. До появления «глазка» одноклеточные животные хаотично сновали в толще воды, пока случайно не попадали на свет. Эвглена же всегда плывет только на свет.
У первых многоклеточных животных органы зрения крайне примитивны. Так, у многих морских звезд по всей поверхности тела разбросаны отдельные светочувствительные клетки. Эти животные способны лишь различать светлое и темное. Заметив проплывающую над ними тень, - хищник? - они спешат зарыться в песок.
У отдельных животных светочувствительные клетки сгруппировались в виде «глазного пятна». Теперь можно было (пусть приблизительно) оценить, с какой стороны двигался хищник. Более пятисот миллионов лет назад глазные пятна появляются у медуз. Этот орган зрения позволил им ориентироваться в пространстве, и медузы заселили открытое море. Дождевым червям подобные пятна помогли скрываться от света в землю.
Ресничный червь
Следующую ступень эволюции глаза демонстрируют ресничные черви. В передней части их тела имеются два симметричных пятна, в каждом из которых находится до тысячи светочувствительных клеток. Эти пятна наполовину погружены в пигментную чашку. Свет падает лишь на верхнюю половину пятен, не прикрытую пигментом, и это позволяет животному определить, где находится источник света. При желании можно назвать ресничного червя «животным с двумя глазами».
Постепенно глазное пятно еще глубже вдавливалось в эпителий. Образовался желобок - «глазной бокал». Например, подобным органом зрения обладают речные улитки. Его чувствительность зависит от направления взгляда. Однако улитка видит все вокруг себя расплывчатым, словно глядит сквозь матовое стекло. Острота зрения повышалась по мере того, как сужалось наружное отверстие глаза. Так появился глаз с точечным зрачком, напоминавший камеру-обскуру. Им смотрит на мир моллюск наутилус, родич давно вымерших аммонитов. Толщина глаза у наутилуса - около сантиметра. На его сетчатке имеется до четырех миллионов светочувствительных клеток. Однако этот орган зрения улавливает слишком мало света. Поэтому мир для наутилуса выглядит мрачно.
На каком-то этапе эволюция привела к появлению двух различных органов зрения. Один - назовем его «глаз оптимиста» - позволял видеть все в светлых красках, но очертания предметов были смутными, неясными, расплывчатыми. Другой, «глаз пессимиста» - видел все в черных тонах; мир казался грубым, изломанным, резко очерченным. Именно от него и происходит человеческий глаз. Позднее над зрачком нарастает прозрачная пленка; она защищает его от попадания грязи и в то же время меняет его преломляющую способность. Теперь все больше частиц света попадает внутрь глаза, к его светочувствительным клеткам. Так возникает первый примитивный хрусталик. Он фокусирует свет. Чем больше хрусталик, тем острее зрение. Для обладателя такого органа зрения (именно он и называется «глазом») окружающий мир становится ярким и отчетливым.
Глаз оказался таким совершенным органом зрения, что природа «изобрела» его дважды. Вначале он появился у головоногих моллюсков, а позднее у нас, позвоночных, причем у обеих групп животных выглядит он по-разному, да и развивается из различных тканей: у моллюсков из эпителия, а у человека сетчатка и стекловидное тело возникают из нервной ткани, а хрусталик и роговица - из эпителия. Добавим, что у насекомых, трилобитов, ракообразных и некоторых других беспозвоночных животных сформировался сложный фасеточный глаз. Он состоял из множества отдельных глазков - омматидиев. Например, глаз стрекозы содержит до тридцати тысяч таких глазков.
В своей книге «Происхождение видов путем естественного отбора» Чарльз Дарвин назвал глаз «органом необычайного совершенства и сложности», и именно это привело его в замешательство. Неужели «зеркало мира», которое мы неизменно носим с собой, возникло из клочка кожи с вкрапленными в него светочувствительными клетками - вроде тех, которыми наделен дождевой червь? Дарвин признавался, что эта гипотеза казалась ему «в высшей степени абсурдной». А противники эволюционной теории по сей день именно глаз приводят как пример несообразности законам эволюции. Разве может по чистой случайности кожица превратиться в сложнейший орган чувств?
Однако они не правы. Если посмотреть на палочки, начерченные для счета дикарем, и перевести взгляд на уравнения высшей математики, то с трудом можно представить себе, что «одно произошло из другого путем долгой эволюции». Но это именно так. Вот и в природе мы обнаружили обладателей самых разнообразных органов зрения. Они помогли нам схематично понять, как развивалось зрение. Что же добавляют в эту схему последние исследования?
Полмиллиона лет на эволюцию зрения?
Шведские биологи Дан Эрик Нильсон и Сюзанна Пелгер из Лундского университета смоделировали на компьютере историю эволюции глаза. В этой модели все началось с появления тонкого слоя клеток, чувствительных к свету. Над ним лежала прозрачная ткань, сквозь которую проникал свет; под ним - непрозрачный слой ткани. Отдельные, незначительные мутации могли менять толщину прозрачного слоя или кривизну светочувствительного слоя. Они происходили случайно. Ученые лишь внесли в свою математическую модель правило: если мутация улучшала качество изображения хотя бы на один процент, то она закреплялась в последующих поколениях.
В конце концов, «зрительная пленка» превратилась в «пузырек», заполненный прозрачным студнем, а затем и в «рыбий глаз», снабженный настоящим хрусталиком. Нильсон и Пелгер попробовали оценить, сколько времени могла длиться подобная эволюция, причем они выбрали худший, самый медленный вариант развития. Все равно результат оказался сенсационным. Краткая история глаза насчитывала всего… чуть более полумиллиона лет - сущий миг для планеты. За это время сменилось 364 тысячи поколений животных, наделенных различными промежуточными типами органов зрения. Путем естественного отбора природа «проверила» все эти формы и выбрала лучшую - глаз с хрусталиком. Задача, как выяснилось, была из легких.
Подобная модель наглядно доказывает, что как только первые примитивные организмы открыли саму возможность «запечатлевать» мир - моментально копировать одним из своих органов расположение окружающих предметов и их форму, - тут же этот орган начал совершенствоваться, пока не достиг высшей формы развития. История глаза, в самом деле, оказалась краткой; она была «молниеносной войной» за возможность «видеть все в истинном свете». В победителях числятся все: и человек, и рыбы, и насекомые, и улитки, и даже эвглена, порой лучше нас, «амбивалентных», различающая, где черное, а где белое.
Модель шведских ученых вполне вписывается в «ревизию биологических вех», происходящую в последнее время в науке. Известные нам ископаемые находки свидетельствуют, что эволюция органов зрения длилась сто миллионов лет. По всей вероятности, все произошло значительно быстрее, поэтому в «Книге жизни», что прочитали биологи, недостает пока многих страниц. Математическая модель, а также генетические открытия убеждают нас в том, что различия между известными типами органов зрения не так велики, как казалось прежде. «Мы убедились, - отмечает немецкий биолог Кристоф Кампенхаузен, - что разные типы органов зрения возникают из-за незначительных изменений в геноме: одни гены активизируются, другие отключаются».
Немецкий биолог Вальтер Геринг выяснил, что ген под названием Pax-6 формирует органы зрения у человека, мышей и плодовых мушек дрозофил. Если он имеет дефект, глаз не развивается вовсе или остается в зачаточном виде. В свою очередь, при встраивании гена Pax-6 в определенные участки генома у животного появлялись дополнительные глаза. Опыты показали, что ген Pax-6 отвечает лишь за развитие органов зрения, а не за их тип. Так, с помощью гена, принадлежавшего мыши, ученый запускал механизм развития глаз у дрозофил, причем у них появлялись дополнительные органы зрения - тоже фасеточные - на ногах, крыльях и усиках. «С их помощью насекомые могли воспринимать свет, - отмечает Вальтер Геринг, - ведь нервные окончания тянулись от дополнительных органов зрения к соответствующему участку головного мозга».
Позднее тот же генетик сумел вырастить на голове лягушки дополнительные глаза, манипулируя геном Pax-6, взятым у дрозофилы. Его коллеги обнаружили тот же самый ген у лягушек, крыс, перепелов, кур и морских ежей. Исследование гена Pax-6 показывает, что все известные нам типы органов зрения могли возникнуть благодаря генетическим мутациям одного и того же «первоглаза». Впрочем, есть и другие мнения. Ведь, например, у медуз нет гена Pax-6, хотя органы зрения есть. Возможно, этот ген лишь на каком-то этапе эволюции стал управлять развитием зрительного аппарата. Вот что говорит по этому поводу Д.Э. Нильсон: «У простейших организмов ген Pax-6 отвечает за формирование передней части тела, а поскольку она лучше всего приспособлена для размещения здесь органов чувств, этот ген позднее стал отвечать и за развитие органов зрения».
Дальнейшее известно. Прошло сто миллионов лет, а, может быть, пятьдесят, а, может, еще меньше….
С. Ярошенко,
С. Курбатов
Читать часть 2. Почему для кошки все вокруг серое?
