W sumie mamy do tego prawo, w kategorii oczu uniwersalnych, ludzkie oko to naprawdę przyzwoity sprzęt. Oczywiście zawsze znajdą się malkontenci.
– Przecież widzisz wszystko do góry nogami! – powie mucha, posiadaczka oka złożonego, które w przeciwieństwie do ludzkiego oka z pojedynczą soczewką odwzorowuje obraz bez jego odwracania.
– A widzisz światło spolaryzowane i ultrafiolet? – zapyta krewetka modliszkowa, która widzi i to i to i w dodatku ma z tuzin różnych typów opsyny w komórkach światłoczułych a my zaledwie trzy.
– Przecież nie widzisz co masz za plecami! – powie kaczka, posiadaczka 360 stopniowego pola widzenia
– Masz tylko dwa? – spyta przegrzebek, posiadacz ponad 200 oczu, których zasada działania przypomina nie jak nasze aparat fotograficzny, ale teleskop zwierciadlany z wklęsłym lustrem, dwiema siatkówkami i soczewką redukującą aberrację sferyczną.
Takie oko, jakie ma człowiek, za moich czasów nazywało się oko komorowe. Teraz widzę, że tego terminu się nie używa. Anglicy mają na ten typ oka najlepsze określenie – camera type eye. Bo rzeczywiście, w okrągłej kapsule o średnicy 2,5 cm zamknięty jest układ optyczny w postaci przezroczystego okienka – rogówki, coby światło przechodziło, a zawartość oka nie wypłynęła, przesłony – tęczówki z dziurą w środku – źrenicą, której średnica może się zmieniać dostosowując ilość światła wpuszczanego do wnętrza oka, soczewki o regulowanej krzywiźnie ogniskującej promienie światła na światłoczułej matrycy – siatkówce. I tyle. Jak ktoś ma aparat w telefonie, to tak samo działa.
Oczywiście samo oko nic nie zdziała, potrzebny jest jeszcze procesor i software – układ nerwowy.
Ten sam typ oka, opartego o zasadę działania aparatu fotograficznego mają mięczaki.
Powszechnie się uważało, że mimo podobieństw, oko kręgowców i mięczaków wyewoluowało niezależnie, a w ogóle oko pojawiło się niezależnie kilkanaście razy w różnych grupach zwierząt. Teraz trwają o to spory, bo rozwój każdego typu oka w świecie żywym związane jest z ekspresją tego samego genu Pax6. Mnie się ta idea jednej bazy genetycznej wspólnej dla świata żywego podoba.
Spójrzmy zatem głęboko w oczy ślimakowi – czym on może nam zaimponować?
Zanim jednak spróbuję odpowiedzieć na to pytanie, przyjmijmy 3 zasady, które trzeba mieć na uwadze myśląc o ewolucji i świecie przyrody.
Zasada nr 1. Nigdy, przenigdy nie mówcie, że dżdżownica jest prymitywna, ona jest równa nam, ma za sobą tyle samo milionów lat ewolucji i skoro dziś i my ludzie i dżdżownice jesteśmy na tym świecie, znaczy, że jesteśmy w takim samym stopniu doskonale przystosowani do naszego środowiska – tak powiedział dawno, dawno temu, kiedy byłam piękna i młoda na studiach jeden z profesorów, niestety nie pamiętam który (czyżby to był dowód, że nie ważne kto mówi, ale co mówi?). Zapadło mi to głęboko w sercu i zmieniło na zawsze moje spojrzenie na świat żywy, z człowiekiem włącznie. Oczywiście dżdżownica była przykładem, równie dobrze zamiast niej może być ślimak, słoń, czy wypławek. Nawet dziś często myśli się i mówi, a nawet pisze w całkiem poważnych książkach o jakimś organizmie, narządzie, czy organizacji zwierząt społecznych, że jest „prymitywny”, „doskonalszy”, że to jakaś „żywa skamielina” która nie umie się przystosować, a już na pewno „najdoskonalszy” jest człowiek. Tymczasem ewolucja to wyścig bez mety, każdy dzień jest dniem, w którym mijamy jakiś punkt pomiaru czasu, czy etap i wszystkie organizmy żywe, które minęły ten punkt w tym samym czasie są najdoskonalsze z doskonałych, bo im się udało. I są sobie z punktu widzenia biologii równe. To człowiek próbuje wartościować świat żywy, a może to tylko nieudana próba dowartościowania samych siebie?
Zasada nr 2. Jeżeli coś jest wystarczająco dobre, to znaczy że jest bardzo dobre. W przyrodzie nie ma miejsca na wodotryski, nadmiarowość, przerost formy nad treścią. Jeżeli coś działa i sprawdza się w danym momencie, w danych okolicznościach, to znaczy się, że jest optymalne.
Zasada nr 3. Rozmiar się liczy. Zwłaszcza kiedy mówimy o zmyśle wzroku, którego zasada działania opiera się o twarde prawa fizyki. Fala świetlna ma swoją mierzalną długość, fotony można policzyć i jak jest ich mało, to jest ciemno, komórki światłoczułe mają określoną wielkość i nie można bezkarnie ich miniaturyzować, bez utraty funkcjonalności. W świecie optyki jest wiele twardych praw fizyki, których nie można zmienić ani ignorować.
Wracając do naszych ślimaków. Tylomelania czy jakiś świderek rzeczywiście mają oczy na tyle mało interesujące, że ich anatomii nikt nie badał. W literaturze naukowej można znaleźć tylko ogólne sformułowania i to nie dla konkretnych gatunków, ale całej nadrodziny Cerithioidea, gdzie znajdziemy ślimaki z rodzaju Tylomelania, Brotia, Mieniplotia, Melanoides, czyli świderki i wiele innych ślimaków słodkowodnych, które znajdujemy w naszych akwariach. O ich oczach czytamy, że są to plamki oczne, lub oczy kubkowate, w których komórki światłoczułe umieszczone są w zagłębieniu, aby zawęzić strumień wpadającego światła i umożliwić organizmowi rejestrację kąta padania światła. Mogą występować struktury podobne do soczewek, ale nie mogą one tworzyć obrazu, w przeciwieństwie do oczu soczewkowych, z powodu braku mocy refrakcji lub rozdzielczości siatkówki. Tu kłaniają się zasady 2. i 3. Ślimaki te żyją w świecie podwodnym, gdzie światła jest mało, są ofiarami a nie myśliwymi, nawet „helenka” nie poluje i nie ściga zdobyczy posługując się narządem wzroku, a raczej smakiem (w środowisku wodnym nie mówimy o węchu choć smak pod względem funkcji analizy chemicznej cząsteczek docierających z wodą do zwierzęcia z całkiem pokaźnych odległości funkcjonalnie odpowiada węchowi), a z racji wielkości całego ślimaka, oko musi być malutkie a więc np. ilość komórek światłoczułych w siatkówce – matrycy o średnicy 1 mm z konieczności mniejsza, niż naszej 2 cm.
Są też ślimaki ślepe, bez oczu, ale jest to cecha wtórna. Ich przodkowie mieli oczy. Zwykle są to maleńkie stworzonka, endemity, jak oddychająca powietrzem i żyjąca w glebie bezoczka podziemna (Cecilioides acicula), czy zamieszkujące jaskinie lądowy Zospeum tholussum, czy wodny Belgrandiella slovenica. Po prostu w środowisku ich życia światła nie ma, więc oczy są niepotrzebne i zamiast ponosić koszt utrzymania nieużywanego narządu, lepiej tę energię spożytkować na coś potrzebnego. Raczej w akwariach ich nie znajdziemy.
Ale już taki ślimak winniczek ma całkiem pokaźne oczy na końcu długich ruchliwych szypułek, kuliste kapsułki jak maleńkie kamery o sferycznym polu widzenia 360 stopni, dzięki możliwości poruszania szypułkami, z rogówką, kulistą soczewką wypełniającą niemal całe oko i siatkówką składającą się z komórek światłoczułych w typie pręcików, więc winniczek nie widzi kolorów, a tylko czarno- biało, a może raczej fioletowo-żółto bo optimum czułości opsyny winniczka zawiera się w zakresie od 390 do 580 nm. Oczywiście to żart, reakcja na światło o określonej długości fali a wrażenie koloru to dwie różne rzeczy i to drugie tworzy się w mózgu.
Podobne do winniczka możliwości wzrokowe mają ampularie (zakazane
), tylko pole widzenia mniejsze, bo ich oczy umieszczone są u nasady czułków.A poza tym wszystkie ślimaki widzą… całym ciałem. Oczywiście nie obrazy, ale na skórze całego ciała mają rozsiane fotoreceptory, które na pewno ostrzegą je jak cień drapieżnika będzie się zbliżał od tyłu.
A teraz najlepsze! Wyobraźcie sobie, że przychodzi do Was inżynier-wynalazca i mówi, że wynalazł najdoskonalszą światłoczułą matrycę. Matryca rzeczywiście działa, tylko że fotodiody odwrócone są do kierunku padania światła tyłem! Po powierzchni matrycy snują się druciki i przewody, którymi płyną impulsy elektryczne z fotodiod, a że procesor jest z tyłu, w matrycy niemal pośrodku znajduje się dziura, którą te wszystkie druciki wychodzą i łączą się z procesorem. Światło, żeby dotrzeć do fotodiod musi przejść przez plątaninę drucików, jakichś połączeń i izolacji. Oczywiście sama dziura jest ślepa, nie ma żadnych fotodiod, a więc w obrazie na niej odwzorowanym też jest czarna dziura.
– Panie, przecież wystarczy odwrócić tę matrycę i nie będzie problemu! – zakrzyknęłoby 100% Wawarian. Tymczasem wygląda na to, że ten inżynier-wynalazca-ewolucjonista odniósł gigantyczny sukces ze swoją matrycą bo 100% Wawarian i w ogóle kręgowców na Ziemi ma siatkówki zbudowane wg tego schematu. Patrz zasada nr 2.
Dlaczego tak się stało? Moja teoria jest taka: siatkówka jest częścią mózgu, a przetwarzanie informacji w ogóle jest bardzo, ale to bardzo energochłonne. Mózg ważący 1,5 kilo zużywa 20% energii potrzebnej do podtrzymania procesów życiowych całego ciała. Organ stanowiący 2,5% masy ciała zużywa 20% energii! Może żeby się odchudzić, zamiast więcej ćwiczyć, trzeba więcej myśleć?
Przetwarzanie informacji wizualnych angażuje ogromne zasoby mózgu. Pierwotna kora mózgowa odbiera impulsy z fotoreceptorów, kolory, kształty, wzorce, ale angażuje także wiele sąsiednich struktur mózgu, by dopełnić nasze zdolności widzenia o analizę ruchu, interpolację i przewidywanie kierunku, pamięć, skojarzenia, rozpoznawanie obiektów specjalnych jak twarze, a nawet emocje. Szacuje się że ok. 60% ludzkiej kory mózgowej jest zaangażowane w przetwarzanie danych wzrokowych. A wiadomo, że do sprawnego działania komputera nigdy nie za dużo pamięci operacyjnej, pojemności dysku twardego i prędkości procesora. A więc wszystkie ręce na pokład, wszystko co uwolni jakiś procent mocy przerobowych mózgu, żeby mógł zajmować się jeszcze innymi niezbędnymi rzeczami a nie tylko wzrokiem, da przewagę ewolucyjną. Zatrudnijmy więc te druciki, te kilka warstw neuronów zasłaniających światło docierające do czopków i pręcików (nota bene one też są przekształconymi, wyspecjalizowanymi neuronami) do wstępnej obróbki sygnału wzrokowego! I tak się stało! Do naszego mózgu dociera już wstępnie przetworzony i oczyszczony w siatkówce sygnał. Wydaje mi się, że tylko dzięki znalezieniu zajęcia dla warstw nie-światłoczułych siatkówki i temu, że te warstwy są dość przezroczyste i nie pochłaniają dużej części światła, ta postawiona na głowie konstrukcja siatkówki kręgowców się utrzymała. Nawet z dziurą pośrodku!
Natomiast w filogenezie mięczaków żaden genialny inżynier-wynalazca-ewolucjonista się nie pojawił i ich siatkówki zbudowane są zgodnie z zasadami logiki: światło pada na zwrócone ku niemu frontem komórki światłoczułe, które przesyłają impulsy do mózgu za pomocą znajdujących się za nimi neuronów.
Najwygodniejszym przykładem do znalezienia różnic i podobieństw oka kręgowców i mięczaków będzie oko ludzkie (bo je najlepiej znamy) i oko głowonogów – ośmiornic i kałamarnic. To myśliwi polegający na wzroku, tak jak u ludzi 60-70% układu nerwowego zajmuje się wyłącznie analizą sygnałów wzrokowych (w uproszczeniu, bo mięczaki mają inną organizację układu nerwowego, ale funkcje te same). Oko ośmiornicy ma powieki, rogówkę, jest okrągłe i duże w stosunku od ciała – osobnik ważący 600-700 g ma oko wielkości oka ludzkiego. Właśnie dzięki wielkości może swoją funkcjonalnością konkurować z ludzkim okiem. Ma tęczówkę i źrenicę, tylko nie okrągłą, a w postaci poziomej szczeliny. Okrągła jest źrenica tylko w pełnym rozwarciu, w ciemności. Ma kulistą soczewkę umożliwiającą ogniskowanie odwróconego obrazu na siatkówce dzięki jej przybliżaniu i oddalaniu. Ludzkie oko robi to zmieniając krzywiznę soczewki. Jak się człowiek starzeje, mięśnie trzymające soczewkę słabną a soczewka sztywnieje i robi się bardziej sferyczna, czemu zawdzięczamy konieczność noszenia okularów. Głowonogi mają logicznie zorganizowaną siatkówkę w której nic nie zasłania światła na drodze do komórek światłoczułych, nie ma więc dziury, czyli plamki ślepej. Warstwy siatkówki za fotoreceptorami, zbudowane z neuronów, tak jak u kręgowców wstępnie opracowują sygnał wzrokowy. Mają tak jak ludzie, analog plamki żółtej, czyli miejsca największego upakowania komórek światłoczułych, dzięki czemu możliwe jest widzenie w największej rozdzielczości – w postaci pasa ciągnącego się w poprzek siatkówki, bo źrenicę mają przecież poziomą. Największa różnica zachodzi w możliwości widzenia kierunku polaryzacji światła i kolorów. Spolaryzowanego światła ludzie nie widzą a co do kolorów – ludzie mają 3 typy czopków odpowiedzialnych za widzenie różnych barw i pręciki do widzenia czarno-białego, za to dobrze radzące sobie po ciemku. Wszystkie mięczaki mają tylko jeden typ komórek światłoczułych, widzą więc monochromatycznie…. Czy na pewno głowonogi są daltonistami? Otóż byłyby, gdyby nie jeden trik. Potrafią one wykorzystać aberrację chromatyczną, ugięcie promieni światła na krawędziach szczeliny i odpowiednio dobierając zwężenie poziomej źrenicy, „wiedząc” jaką barwę akurat odfiltrowują, mogą powziąć wyobrażenie o tym jaki zakres widma dany obiekt odbija, czyli jakiego jest koloru. Skomplikowane? Nie bardziej niż interpolacja, zamalowywanie plamki ślepej obrazem z drugiego oka, żebyśmy nie mieli dwóch dziur w polu widzenia.
Które oko więc jest lepsze, doskonalsze? Świderkowy kubeczek, ampulariowy niezbyt ostry obiektyw ze słabą matrycą, jak w starej Nokii, czy nasze ludzkie wspaniałe oko ślepe na światło spolaryzowane, UV i z dwiema dziurami w matrycy, które nasz software w każdej milisekundzie maskuje, jak w Photoshopie?
Żadne – patrz wszystkie 3 zasady z początku postu
.
. A poważnie, kolejna pasjonująca lektura!
