Природа изобрела сложный глаз дважды: почему глаза людей и осьминогов устроены абсолютно по-разному

Позвоночные животные и головоногие моллюски — две совершенно разные ветви жизни. Их эволюционные пути разошлись так давно, что у их последнего общего предка не было даже примитивных органов зрения. Тем не менее сегодня мы можем наблюдать интересный факт: и рыбы, и кальмары смотрят на мир через очень похожие оптические системы. В обоих случаях это глаз с круглым зрачком, прозрачным хрусталиком, который фокусирует свет, и полусферической сетчаткой, улавливающей изображение.

На первый взгляд может показаться, что природа создала единый универсальный чертеж для органа зрения. Но детальное изучение анатомии показывает, что это сходство — лишь внешнее. Эволюция решила одну и ту же физическую задачу двумя независимыми путями, используя разные исходные материалы и разные принципы внутренней архитектуры. Различия кроются во всем: от способа формирования тканей у зародыша до структуры белков в светочувствительных клетках.

Архитектура тканей: прямая и перевернутая сетчатка

Самое известное отличие глаза позвоночных (в том числе человека) от глаза головоногих — это ориентация светочувствительных клеток.

Сетчатка позвоночных расположена «задом наперед». Светочувствительные рецепторы направлены не наружу, к источнику света, а вглубь тканей головы. Чтобы достичь этих рецепторов, свету сначала нужно пройти через слои нервных клеток и кровеносных сосудов. Более того, нервные волокна, которые собирают информацию от рецепторов, должны как-то выйти из глаза в мозг. Для этого они собираются в один пучок и пронзают сетчатку насквозь. В этом месте возникает слепое пятно — зона, где нет рецепторов и которая вообще не воспринимает свет.

Головоногие моллюски лишены этого недостатка. Их светочувствительные клетки направлены прямо на свет. Нервные волокна логично отходят от задней части рецепторов и сразу направляются к мозгу, не пересекая сетчатку. Следовательно, у осьминогов и кальмаров нет слепого пятна.

Причина таких разных конструкций кроется в том, как именно формируются ткани на стадии зародыша. У позвоночных нервная система развивается из специальной трубки. В процессе роста часть этой трубки выпячивается наружу, формируя глаз. При этом та сторона ткани, которая изначально была наружной, оказывается внутри образовавшейся полости. Клетки просто продолжают расти по старой программе: они направляют свои отростки туда, где исторически была внутренняя часть организма. У головоногих глаз формируется иначе — путем прямого складывания наружного слоя кожи. Ткань не меняет своей ориентации, поэтому рецепторы остаются направленными наружу.

Хрусталик тоже строится по-разному. У нас это замкнутый пузырек из клеток кожи, а у головоногих — складка ткани, которая проходит сквозь структуру глаза. Даже белки, обеспечивающие прозрачность хрусталика (кристаллины), у позвоночных и моллюсков произошли от совершенно разных химических ферментов.

Преимущества «неправильного» строения

Может показаться, что прямая сетчатка головоногих совершеннее. Однако перевернутая структура глаза позвоночных дает важное скрытое преимущество в обработке информации.

Дело в том, что на начальном этапе зрительные сигналы передаются между клетками в виде слабых электрических потенциалов. Эти потенциалы быстро затухают на расстоянии. Информацию нужно успеть отфильтровать и сжать до того, как она превратится в стабильный нервный импульс и отправится в мозг.

Поскольку у позвоночных нервные клетки лежат прямо поверх рецепторов внутри самого глаза, они выполняют эту первичную обработку на месте. Глаз позвоночного сам отсеивает лишний визуальный шум, экономя ресурсы мозга. У головоногих рецепторы вынуждены отправлять сырые сигналы по длинным отросткам в массивные зрительные доли мозга, расположенные за пределами глаза. Это требует больше места в голове животного.

Что касается слепого пятна позвоночных, то в реальности оно не создает проблем. У животных с пересекающимся полем зрения (когда оба глаза смотрят вперед) слепую зону одного глаза перекрывает рабочий участок другого глаза. А в зоне самого острого зрения нервные клетки просто раздвигаются в стороны, образуя углубление, где свет падает на рецепторы напрямую.

Восприятие цвета и поляризации света

Второе фундаментальное различие заключается в том, какую именно информацию животные извлекают из света. Подавляющее большинство позвоночных животных способно различать цвета, но совершенно слепо к поляризации света. Головоногие моллюски, наоборот, почти все являются дальтониками, но обладают высочайшей чувствительностью к поляризованному свету.

Свет — это волна, и плоскость, в которой колеблется эта волна, называется поляризацией. Разница в восприятии объясняется формой светочувствительных элементов на микроскопическом уровне.

У позвоночных рецепторы состоят из стопок плоских мембранных дисков. Светочувствительные молекулы (родопсин) расположены в них свободно и могут вращаться в любую сторону. Из-за этого глаз реагирует на свет с любой плоскостью поляризации одинаково, смешивая информацию. Чтобы видеть цвета, позвоночные используют несколько типов рецепторов, каждый из которых настроен на свою длину волны (синий, зеленый, красный спектры).

У осьминогов и кальмаров рецепторы состоят из плотно упакованных микроскопических трубочек. Молекулы родопсина в них жестко зафиксированы в одном направлении. Имея клетки, настроенные на вертикальную и горизонтальную поляризацию, головоногие способны улавливать малейшие изменения в структуре света, которые недоступны нашему зрению.

В океане обе эти системы помогают решать одни и те же жизненно важные задачи:

1. Оценка глубины. Вода сильно поглощает свет. По мере погружения спектр меняется, и цвета исчезают один за другим, пока не останется только синий. Рыбы с цветовым зрением могут оценивать глубину по этому сдвигу спектра. Головоногие делают то же самое, но они анализируют изменение плоскости поляризации света, которая также предсказуемо меняется с глубиной.
2. Поиск добычи. В океане многие животные прозрачны или покрыты серебристой чешуей, что делает их невидимыми на фоне воды. Рыбы используют цветовые контрасты, чтобы распознать силуэты. Головоногие используют свое зрение, чтобы фиксировать, как прозрачные ткани добычи искажают естественную поляризацию воды вокруг них. Контуры добычи буквально выделяются для них на общем фоне.

Именно из-за высокой зависимости от поляризации у головоногих нет светоотражающего слоя за сетчаткой, который позволяет кошкам или глубоководным рыбам хорошо видеть в темноте. Отражающий слой заставил бы свет проходить через рецепторы дважды, что повысило бы яркость, но многократное отражение разрушило бы структуру поляризации. Головоногие пожертвовали этим механизмом, чтобы сохранить способность видеть поляризованный мир.

Ограничения размера: почему у кальмаров самые большие глаза

Законы физики строги ко всем живым существам, но по-разному ограничивают их анатомию. У позвоночных животных есть жесткий предел размера глаза. У крупнейших усатых китов диаметр глазного яблока не превышает 10 сантиметров. Абсолютно такой же размер глаза у рыбы-меч, хотя она весит в двести раз меньше кита.

Головоногие моллюски не имеют такого ограничения. Абсолютным рекордсменом в животном мире является гигантский кальмар. Диаметр его глаза достигает 27 сантиметров, что почти в три раза шире и в 27 раз объемнее самого большого глаза позвоночного животного.

Исследователи долго не могли понять, зачем кальмару такая большая оптика, ведь простое увеличение размера не дает пропорционального улучшения резкости изображения. Математические расчеты показали, что такой размер идеально подходит для одной специфической задачи — обнаружения огромных объектов с очень низким контрастом в полной темноте.

Глубоководный гигантский кальмар использует свои глаза, чтобы вовремя заметить приближение кашалота — своего главного врага. Сам кашалот в темноте не виден, но при движении он тревожит скопления биолюминесцентного планктона, заставляя его слабо светиться. Огромные глаза позволяют кальмару уловить это слабое свечение на расстоянии до 100 метров, давая время для бегства.

Однако если животное не может бесконечно увеличивать глаза из-за размеров своего тела, эволюция находит другие пути. И глубоководные рыбы, и некоторые виды кальмаров независимо друг от друга приобрели трубковидные глаза. Глаз приобретает форму цилиндра, что сужает поле зрения, но позволяет максимально расширить зрачок и захватить больше света, не занимая лишнего места в черепе. Поскольку на большой глубине единственный источник света находится сверху (слабый свет с поверхности океана), трубковидные глаза у большинства глубоководных рыб и кальмаров навсегда зафиксированы в положении «смотрящие вверх».

История зрения позвоночных и головоногих — это наглядное доказательство того, что сложные биологические механизмы могут создаваться разными путями. Одинаковые физические свойства света и схожие условия обитания заставили совершенно разных животных выработать органы с идентичной оптической геометрией. Однако внутреннее устройство этих органов показывает, что естественный отбор работает с теми материалами, которые оказались в его распоряжении на начальных этапах эволюции, доводя каждую из систем до совершенства.

Источник: Current Biology