Рафаил Нудельман: Загадки, тайны и коды нашего тела. Занимательная физиология человека
Краткая история глаза
Разного рода глаза формировались по меньшой мере 40, а то и 60 раз в ходе эволюции, причем каждый раз разными и независимыми путями. Исследуя эти пути, ученые выявили не менее 9 различных принципов построения глаз у разных животных и проследили этапы их реализации в ходе развития жизни.
В основе зрения тоже лежало, по всей видимости, использование какого-то светочувствительного пигмента, первичной полоски «фотоклеток», позволявшего древним организмам различать свет и темноту. Такое различение и сегодня демонстрируют многие простейшие организмы и личинки. Вполне можно представить себе, что такая способность была чем-то полезна этим организмам (например, для движения в сторону пиши или бегства от угрозы), поэтому обладатели такой полоски сразу получали некоторое, пусть и микроскопическое, преимущество перед теми, кто этой особенностью не обладал.
Хотя развитие глаза, как и многих других сложных органов, шло, как уже сказано, самыми разными путями, псе эти пути объединяло то. что каждый следующий шаг давал определенное преимущество. Но. разумеется, этот общий закон не следует расширять безгранично. Конечно, улитке было бы выгоднее иметь глаз с такой чувствительностъю, как у человека, но эта выгода не может перевесить того факта, что такой глаз по размерам был бы больше самой улитки. Глаз высокой чувствительности обязательно должен иметь размер, больше некоторого минимального, и это требование, увы, кладет предел зрительным возможностям различных животных. Неслучайно самый большой глаз в природе, диаметром в 37 см, имеет животное гигантских размеров - осьминог с десятиметровыми щупальцами.
Итак, самой первой ступеньке эволюции глаза мы встречаем просто скопления фотоклеток.Их размещение не играло особой роли (у некоторых бабочек, например, такие клетки находятся на гениталиях), потому что они позволяли лишь определить наличие или отсутствие света, но не давали никакого изображения. Главным было то, что такие фотоклетки, поглощая фотоны, выделяли энергию, которая, в отличие от растений, шла на раздражение какой-то нервной клетки. Поскольку такая сигнализация о наличии света была, как уже отмечено, выгодна, то эволюция стала двигаться в сторону улучшения чувствительности утих скоплений. Ведь это только говорится, что фотон, падая на клетку, поглощается. На самом деле фотон - такая крохотная частица, что может пройти клетку насквозь, не поглотившись. Ясно, что чем больше число слоев таких фотоклеток, тем больше вероятность, что какая-то из них все-таки поглотит фотон. И действительно, у всех животных мы встречаем не один, а много - десятки и сотни фотослоев, наложенных друг на друга. Такая структура требует определенной организации, и здесь начинается первое разветвление: у осьминогов, например эти слои свернуты в полую трубку, а у позвоночных они образуют плоский диск.
Но и это еще не дает возможности достаточно хорошо определять направление на источник падающего света. Ведь свет может проходить и спереди, и сзади. Но если за слоем фотоклеток появится слой непрозрачных клеток, то свет будет проходить только спереди., и тогда, поворачивая голову, можно будет найти направление на него. И действительно, таким способом ориентации на свет пользуются некоторые виды личинок. Практически все глаза (кроме т.н. составных) имеют такой непрозрачный слой позади слоя фотоклеток (а у некоторых червей, как ни странно, впереди: мутация случайно расположила их так, и поскольку само появление непрозрачного стоя уже было некоторой выгодой, то, не взирая на сильное поглощение света в нем, эволюция глаза плоских червей уже сошла с однажды выбранной дорожки, а боролась с её недостатками новыми изобретениями.
Однако непрозрачный слой позади плоского или трубчатого фотослоя дает лишь очень грубую ориентировку. Куда более точным способом является такое расположение клеток фотослоя, при котором разные фотоклетки смотрят в разные стороны. В этом случае зрительные нервные клетки будут получать сигналы, содержащие в себе более полную информацию о направлении: свет приходит со стороны той фотоклетки, которая подает сигнал. Есть два главных способа расположить фотоклетки так, чтобы они смотрели в разные стороны: согнуть их в виде вогнутой или в виде выпуклой поверхности. Позвоночные пошли по первому пути, а насекомые по второму. Нужно, однако, понимать, что и тут возникает множество разных возможностей - от чуть изогнутой плоскости до полной полусферы, и в животном мире даже сейчас встречаются чуть ли не псе эти варианты.
Но даже и это еще не настоящее зрение, потому что такой примитивный глаз не образует изображения. Ведь каждая точка рассматриваемого объекта испускает (или отражает) лучи по всем возможным направлениям, а значит, в каждую фотоклетку приходят лучи от всех точек объекта сразу. На фотослое образуется одновременно множество изображений объекта (плюс еще множество изображений того фона, на котором находится объект), и зрительные нервные клетки получают совершенно хаотические сигналы. Есть, однако, весьма простой способ получить вполне четкое изображение, и многие уже, наверное, догадываются какой. Если углублять и закруглять вогнутую полусферу, то в конечном счете она превратится в полную сферу. II если в этой сфере останется крохотное (в пределе «точечное») отверстие, то в него пройдет только по одному лучу от каждой точки объекта. Каждый такой луч попадет на свою фотоклетку, и все эти фотоклетки вместе образуют четкое изображение объекта - только перевернутое. В ходе эволюции глаза к такому способу формирования образа - по принципу т. и. «камеры-обскуры» - пришли очень многие моллюски; почти идеальная его реализация достигнута моллюском Наутилус, но, увы, в таком глазе возникают проблемы. Одну из них порождает дифракция, т. е. размывание световых волн при прохождении через очень малые отверстия. Дифракция размывает изображение, устанавливая неустранимый предел его четкости. Но еще хуже то, что в очень малое отверстие, естественно, проходит очень мало света. Появляется принципиальная дилемма - либо четкое, но очень темное изображение, либо яркое, но размытое.
Выход из этого противоречия состоит в отказе от глаза типа камеры-обскуры и переходе к принципиально иному способу формирования образа на фотослое. 11редставим себе, что в нашем распоряжении есть такой умный компьютер, который способен собирать все лучи, идущие от одной определенной точки объекта, и посылать их ни одну определенную фотоклетку так, чтобы она получала только эти лучи и никаких других. А в другую фотоклетку тот же умный прибор будет посылать собранные в пучок лучи от другой точки объекта - и только их. В этом случае глаз может оставаться в виде полусферы и в то же время давать вполне четкое изображение.
|Такой «прибор» существует. Его «изобрела» сама природа. Он называется линзой. Благодаря преломлению она собирает все лучи, идущие от одной точки, снова в одну точку, в свой фокус. А лучи, идущие от другой точки, - в другую. При этом линзой может служить любое прозрачное тело, коэффициент преломления которого отличается от коэффициента преломления окружающей среды. Линзой может быть прозрачный кристалл, прозрачный морской камешек, просто капля воды. Даже если эта капля вовсе не хочет быть линзой - ей ничего не поможет: законы природы делают ее таковой.
Откуда, однако, такой капле взяться в глазу? Оказывается, многие моллюски защищают свой драгоценный фотослой слоем прозрачной вязкой жидкости, чтобы морская вода его не повредила. Поскольку этот защитный слой, в силу своей вязкости, имеет несколько иной коэффициент преломления, то ему только остается случайно собраться в линзоподобную форму - и глаз, даже «камерно-обскурный», тотчас получит огромный выигрыш в деле формирования образа. И действительно, во многих «камерных» глазах у самых разных животных уже встречаются такие линзоподобные сгустки густой, вязкой, полупрозрачной жидкости, расположенные перед фотослоем. Это не очень хорошие линзы, но они в любом случае лучше, чем никакие.
А главное - с появлением даже самой примитивной линзы открылся путь к очередному этапу совершенствования глаза.
B человеческом глазу имеется 116 млн фотоклеток, в основном двух типов - палочки, для слабого черно-белого света, и колбочки, для яркого цветного, причем последние сосредоточены главным образом в центральной части сетчатки. Понятно, что коэффициент полезного действия такого множества фотоклеток необычайно высок. Наши фотоклетки (как и у всех позвоночных, а также у плоских червей) повернуты «от света», так что световым лучам приходится сначала пройти всю клетку и лишь затем попасть на ее светочувствительный слой. Такое построение глаза вынуждает зрительные нервы входить в фотоклетки (а эти нервы всегда входят в ту часть ее часть, которая противоположна фотослою) как бы «снаружи», со стороны источника света. Но этот недостаток преодолевается тем, что все эти зрительные нервы, принимающие от фотоклеток их первичный сигнал, затем собираются в единый пучок и входят обратно в мозг в одном месте глаза - это и есть известное «слепое пятно». Этот участок глаза, естественно, не посылает в мозг никакого сигнала, поэтому наш мозг попросту «достраивает» изображение до полного своими собственными силами.
Наш глаз способен менять фокусное расстояние своей линзы. Человек (как и все другие млекопитающие, птицы и большинство рептилий) делает это, растягивая или сжимая глаз с помощью специальных мускулов, а хамелеоны, змеи, рыбы и лягушки передвигают линзу глаза, хрусталик, ближе или дальше от сетчатки. Наш глаз способен поворачиваться, и это очень важно, чтобы сохранять направление взгляда при разных движениях тела. У птиц тот же результат достигается путем полной фиксации положения головы независимо от того, как поворачивается туловище. Наш глаз способен также менять количество попадающего в него света (что очень важно в условиях низкой освещенности) с помощью изменения размеров.(Кстати говоря, зрачки это еще одна часть глаза, представленная в природе в самых разнообразных вариантах, найденных эволюцией за прошедшие миллионолетия. Есть зрачки круглые и зрачки щелевые.
зрачки вертикальные и зрачки горизонтальные, и даже многогранные,
как у некоторых змей.) Как в случае изменения фокусного расстояния, изменение размеров зрачка достигается с помощью специального мускула.
Ген, заведующий образованием глаз, был найден профессором Герингом при проведении экспериментов с мушкам-дрозофилам и. Воздействуя на клетки дрозофилы специальными химическими веществами, ему удалось «включить» этот ген в работу не только в тех клетках зародыша дрозофилы, из которых впоследствии возникал ее обычный глаз, но также и в тех, из которых позднее должна была сформироваться мушиная нога. И тогда на ноге у мушки вырастал «глаз», точнее - некое подобие глаза! Неизвестно, видит ли мушка этим «ножным глазом» какое-либо изображение, но то, что светочувствительные клетки там есть, несомненно - в этом убеждает тот факт, что при освещении такого «глаза» светом в нервных окончаниях его клеток появляются электрические сигналы. I Занятно, что этот замечательный ген получил название «безглазого» (eyeless) - просто в силу сложившегося у дрозофиловедов обычая называть гены так, чтобы показать, что произойдет с мушкой при их отсутствии: ген «безглазый» в том смысле, что если он почему-либо не включится в работу, мушка останется безглазой.
Но это еще не все. Продолжая свои исследования, Геринг установил, что у мышей и человека тоже есть ген, выполняющий, в общем, такие же «глазные» функции, и затем с помощью сверхминиатюрной хирургической операции пересадил мышиный ген глаза в зародыш мухи-дрозофилы, причем опять-таки в те клетки, из которых должна была образоваться мушиная ног а. Как вы уже наверно догадались, на этой ноге появился глаз - но не мышиный, а мушиный, не вогнуто-сложный, а выпукло-составной. Впоследствии сходные «глазные гены» были обнаружены также у многих моллюсков, морских червей и других животных. Оказалось, что один и тот же ген, будучи пересажен из одного животного в другое, способен стимулировать появление глаз этого животного - то есть, в итоге, способен стимулировать появление самых разных глаз!