Есть понятие реинженринг, так вот были попытки провести ретроспективный анализ именно происхождения глаза. Как именно мог выглядеть процесс преобразования некоего "поля"
светочувствительных клеток на коже какого то простейшего в тот чудный оптический прибор, которым располагаем мы, с глазным дном с его колбочками-палочками, со зрачком меняющим свои размеры при изменении освещённости, с хрусталиком фокусирующим световой поток на чувствительных клетках. Так вот ни одного работающего хотя бы гипотетически варианта не удалось нарисовать. Глаз должен был появиться если и не скачком, таким как он есть, но некоторые его "детали" могут работать только во взаимодействии, т.е. появиться одномоментно.
Вот и давайте прямо сейчас и займемся этим реинжинирингом. Тем более что моя профессиональная специализация отчасти с этой проблемой пересекается.
Но сперва о самом подходе, который я хочу предложить. Опять же приведу аналогию (это я делать люблю) с ... автомобилем. Если бы мы вдруг начали его реинжиниринг, рассматривая его устройство целиком, то утонули бы в частностях - кресло, руль, рычаги, педали, лобовое стекло, стеклоочистители и т.д. А хуже того - решили бы, что автомобиль так и возник сразу со всеми этими принадлежностями, и удивлялись бы тому, как это его так угораздило
. Однако мы добьемся гораздо большего понимания, если поймем, что основная идея автомобиля (принцип его устройства) - это двигатель внутреннего сгорания, вращающий колёса. А поскольку двигатель внутреннего сгорания вращается гораздо быстрее паровой машины, то транспорт, движущийся на этом принципе должен развивать большую скорость. А раз так, то необходимо ветровое стекло, чтобы встречный ветер вместе с брызгами воды с грязью не попадал в глаза водителю. А чтобы ветровое стекло в дождливую погоду оставалось прозрачным, нужны щетки стеклоочистителя. И т.д. Короче говоря, после того, как реализован сам принцип, всё остальное нарастает в качестве компенсации за возникающие неудобства, возникающие при его эксплуатации. А стало быть, дальше может иметь место чисто эволюционное совершенствование.
Если мы теперь вернемся к глазу, то начинать его реинжиниринг следует не с того, что глаз круглый
, а с принципа детекции света и его спектральных характеристик. Т.е. суть здесь не в форме глаза, а в самом принципе, когда в качестве светоприёмника используется "матрица" из светочувствительных клеток (я их называю афферентными нейронами, а вы - рецепторами), которые при поглощении падающего на них светового фотона производят нервный импульс, который поступает в нервную систему. Однако на этом месте остановиться нельзя, т.к. кожа тоже состоит из клеток, а потому вопрос типа "отчего вдруг клетки кожи обрели светочувствительность?" пока ответа не получил. Поэтому копаем глубже - выясняем, чем светочувствительные клетки отличаются от прочих, в том числе и от клеток кожи.
Глаза есть у огромного числа живых организмов, но светочувствительные рецепторы могут быть различны (в зависимости от вида). В данном случае термин "рецептор" обозначает не отдельную клетку организма, а какой-то белок (родопсин), встроенный в мембрану афферентного нейрона. У разных видов живых организмов, обладающих зрением, структура родопсина имеет индивидуальную специфику. Однако, несмотря на видовое разнообразие все родопсины действуют на одном и том же принципе - способности молекулы ретиналя (одна из форм витамина А) изменять свою конформацию/геометрию после поглощения фотона. Обычно ретиналь находится в цис-форме, когда его молекула согнута под углом, а после поглощения фотона она распрямляется, переходя в линейную транс-форму. Т.е. работает как рука, которая сперва была согнута в локте, а получив удар фотона в локоть
, распрямляется. Причем, распрямляясь, ретиналь совершает механическую работу - переносит протон с одного места на другое. На этом принципе родопсин работает как ионный насос, выталкивая положительно заряженные протоны за пределы клетки и, тем самым, создавая мембранный потенциал (из-за недостатка протонов внутренняя среда клетки оказывается заряженной отрицательно относительно внешней среды). Этот заряд - уже энергия, которую можно использовать на разнообразные цели. Но если это афферентный нейрон, то эта энергия будет израсходована на формирование нервного импульса. Тем не менее, бывают и другие варианты ее использования, которые вызывают сильный интерес в свете рассмотрения проблемы реинжиниринга.
И тут начинается самое интересное! Дело в том, что родопсин используется некоторым видами бактерий (например, галобактериями) для ... фотосинтеза!!!
Галобактерии живут в солёных отложениях (концентрация NaCl не ниже 1,5 моль/л) в Мёртвом море, в Большом Солёном озере, соляных озёрах на юге России, а также в содовых озёрах Азии и Африки, в других щелочных водоёмах. Питаются за счёт фотосинтеза. Этому классу архей присущ особый тип фотосинтеза, который не связан с хлорофиллами или бактериохлорофиллами.
Причем, механизм используется тот же самый: ретиналь, поглотив фотон, изгибается; родопсин, в составе которого находится этот ретиналь, выталкивает протон; от потери протонов мембрана клетки заряжается; а дальше этот заряд расходуется на производство АТФ или НАДФ, которые затем используются для превращения углекислоты в углеводы.
Здесь еще важно подчеркнуть, что археи, к классу которых относятся галобактерии, включают в себя и другие виды бактерий, которые тоже занимаются фотосинтезом, организованном на том же принципе. Между тем, археи - чрезвычайно древние организмы, хотя им и удалось дожить до наших дней. Полагаю, что само название "археи" произошло от названия Архейской эры в истории Земли, когда ее атмосфера еще не была кислородной! Палеонтологические находки архей датируются в интервале 2.7-3.5 млрд лет, тогда как Архейская эра была от 4±3 до 2.5 млрд лет тому назад. Отсюда очевидно (по крайней мере, мне), что кислород в атмосфере Земли появился (вместе с исчезновением большей части углекислого газа и метана) не благодаря растениям, которых в то время не могло быть, а именно благодаря фотосинтезирующим бактериям. Причем заниматься фотосинтезом в те времена бактериям было вольготно, т.к. углекислого газа было вдоволь (по некоторым оценкам содержание углекислого газа в атмосфере доходило тогда до 70% по объему, а в воде он растворим достаточно хорошо). Можно сказать, что они плавали в газировке
, а стало быть, могли усваивать углекислоту прямо из окружающей их воды.
Что мы имеем в итоге? А именно то, что светочувствительность того же типа, что у глаза, появилась в незапамятные времена. В этом смысле светочувствительность является не открытием какого-то "проектёра", а является по сути ... атавизмом
. Типа того, что ген, кодирующий белок Родопсин, где-то сохранился в геномах их отдаленных потомков, который в последствии из-за какой-то мутации проявился в том, что какой-то участок кожи приобрел чувствительность в свету. А далее, оказавшись полезным для ориентации в пространстве (на первых порах это определение верха и низа по солнцу), закрепился у потомства, т.к. благоприятствовал выживанию.
Тогда как глаз (как орган), скорее всего, появился как ... ветровое стекло у автомобиля
. Т.е. по началу светочувствительный участок кожи пришлось чем-то защищать от водной среды, а потому вполне логично, что это была пленка из того же материала, что и суставной хрящ. Тем более, что благодаря своей стекловидности, он для этой цели хорошо подходит (свет сквозь себя пропускает):
Гиалиновый хрящ — разновидность хрящевой ткани; плотный, упругий, стекловидный из-за содержания в нём гомогенного основного вещества, богатого протеогликанами. Гиалиновый хрящ составляет суставные и рёберные хрящи, а также хрящи носа, гортани, эпифиза длинных трубчатых костей, хрящи трахеи и бронхи. <...> Толщина хряща зависит от функциональной нагрузки на него и в различных суставах колеблется от 1 до 7 мм.
...
Синовиальная жидкость состоит из двух основных компонентов — жидкостного и белково-полисахаридного. Жидкость представляет собой по сути плазму крови. Основным элементом, обеспечивающим вязко-эластичные свойства синовиальной жидкости, является гиалуронан — полисахарид из группы гликозаминогликанов. Гиалуронан обеспечивает стабилизацию структуры протеогликанов, которые в комплексе формируют молекулы сложной структуры и большой молекулярной массы. Данные молекулы откладываются внутри коллагеновой структуры хряща, обеспечивая его эластичность.
Ну а дальше случайная вариация толщины этого хряща привела к варианту, где его утолщение в середине проявило способности линзы - фокусировать параллельные лучи. А дальше снова эволюция по отбору наиболее зрячих форм. А в качестве аргумента в пользу этой гипотезы может выступать сходство глазного тела с тем самым суставным хрящом и синовиальной жидкостью:
Стекловидное тело – это гелеобразная прозрачная внутриглазная структура, которая на 98% состоит из молекул воды, коллагена и гиалуроната. Стекловидное тело составляет 2/3 объема глазного яблока, при этом располагается между хрусталиковой линзой и сетчатой оболочкой.
