Легко недооцінювати наші очі. Але наше нещодавнє дослідження показує, що вони пройшли неймовірний еволюційний шлях, щоб досягти свого сучасного вигляду.

Відомо, що наші (хребетні) очі принципово відрізняються від очей наших далеких родичів (безхребетних) через їх клітинний склад і спосіб розвитку до народження. Однак відповіді на питання, чому або як ці відмінності виникли, довгий час залишалися невідомими.

Наше дослідження свідчить про те, що наші очі походять від червоподібного предка, який блукав океанами 600 мільйонів років тому. Це також стосується всіх двобічних тварин, тобто тварин, чиї тіла можна розділити на приблизно дзеркально симетричні ліву і праву половини.

У рамках нашого дослідження ми проаналізували 36 основних груп живих тварин (практично всі двобічні тварини), щоб дізнатися, де розташовані їх очі та світлочутливі клітини і яку роль вони виконують.

Виявився певний шаблон. Ми виявили, що очі та світлочутливі клітини постійно знаходяться в двох окремих місцях: парно з обох боків обличчя та на середині голови, на верху мозку.

Серед тварин, яких ми досліджували, клітини в парному положенні використовуються для керування рухами, тоді як їхні середні аналоги визначають день і ніч, а також вгору і вниз.

Ми дійшли висновку, що давній червоподібний предок всіх хребетних втратив "керуючу" пару очей, коли він прийняв переважно стаціонарний спосіб життя 600 мільйонів років тому, закопуючись у морське дно. Ставши фільтратором, який не потребував руху, енергетично витратний тип парних очей став непотрібним і дорогим.

Однак цей зміна способу життя залишила світлочутливі клітини в середині голови неушкодженими, оскільки тварина все ще потребувала визначати час доби та розрізняти вгору і вниз. Хоча парні очі зникли, світлочутливі клітини в середині розвинулися в невелике середнє око.

Можливо, протягом кількох мільйонів років ця тварина знову змінила спосіб життя. Повернення до плавання знову викликало потребу контролювати керування і вимірювати власні рухи для ефективного фільтрування їжі (відсівання їжі з води) та уникнення хижаків.

Це спонукало еволюцію розвивати середнє око, формуючи невеликі око-купи з кожного боку. Ці око-купи пізніше відокремилися від середнього ока, перемістилися на боки голови і сформували нові парні очі: наші очі.

Втрата і відновлення зору відбулися між 600 і 540 мільйонами років тому. Компоненти середнього ока залишилися і стали шишкоподібним органом у мозку, який виробляє і вивільняє гормон сну мелатонін.

У багатьох хребетних шишкоподібний орган отримує світло через прозору (непигментовану) ділянку в середині голови.

Однак у ссавців шишкоподібний орган втратив свою світлочутливу здатність – можливо, тому що ранні ссавці були активні вночі і ховалися вдень. Тому очі, які були більш чутливими, взяли на себе функцію виявлення світла, що викликає вивільнення мелатоніну і сон.

Очі всіх форм і розмірів

Ті тварини, які не втратили оригінальні парні світлочутливі клітини червоподібного предка, складають більшість сучасних безхребетних, оскільки вони походять з гілки еволюційного дерева, яка ніколи не приймала статичний спосіб життя.

До таких тварин належать ракоподібні, комахи, павуки, восьминоги, черевоногі молюски та багато груп червів. Ці тварини все ще мають сучасні версії оригінальних наборів світлочутливих клітин.

Парні очі комах і ракоподібних є складними очима, з масою маленьких і щільно упакованих лінз на одне око. Натомість восьминоги і черевоногі молюски мають камеру-тип очей з однією лінзою.

Фактично, восьминоги і черевоногі молюски незалежно еволюціонували той же дизайн ока і візуальну продуктивність, що і ми, хребетні.

Однак наша сітківка – світлочутлива оболонка на задній частині наших очей – має понад 100 типів нейронів (у мишей їх ще більше – 140), у порівнянні з лише кількома у восьминогів і черевоногих молюсків. Це робить її майже такою ж складною, як наша кора головного мозку – зовнішня і найбільша частина нашого мозку.

Вчені вважали, що в еволюції наших очей ця складність виникла досить пізно. Схожість між світлочутливими клітинами в мозку і парними очима підтверджувала раніше висунуті гіпотези про просте, шишкоподібне око на ранніх етапах еволюції. Однак у нашій роботі ми стверджуємо, що багато з цієї складності передувала сітківці.

Отже, ймовірно, що вона вже була присутня в "циклопічному" оці предка. Це має широкі наслідки для походження та з'єднання нейронних схем у нашій сітківці та мозку.

Для нас, хребетних, еволюція наших очей і мозку тісно пов'язана. Виникнення нових парних очей є основною частиною цієї картини, оскільки очі дозволили реалізувати складну поведінку, що вимагає когніції та великих мозків.

Цікавий факт

Без очей ми не були б просто людьми без очей; ми б не існували взагалі, як і інші хребетні.