История зрения или миф о «нечленимой сложности»

Попытаюсь развеять «миф о нечленимой сложности» на примере глаза. Его часто любят приводить в пример креационисты.

Основная претензия звучит так: «Если глаз создала эволюция, то как она смогла создать столь сложный инструмент без промежуточных форм? Какая польза в половине глаза?» (есть ещё вариант с половиной крыла, по сути, мало отличающийся от этого вопроса).

Я далёк от биологии, но ответ на этот вопрос могу попробовать дать, поскольку это не так сложно, как кажется, и потому, что «ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции», как сказал Ф.Г. Добржанский. Только с этой позиции «необъяснимое», на первый взгляд, биологическое явление становится простым и логичным.

Вопреки мнению многих людей, наши организмы — далеко не идеал совершенства, они имеют множество недостатков. У нашего вида, например, сложное строение ступни (хотя мы давно не живём на деревьях), от которого мы получаем кучу травм; икота, доставшаяся нам от наших предков — рыб и амфибий, возвратный гортанный нерв, огибающий дугу аорты и возвращающийся назад (у жирафа он достигает длины 4 метров вместо нескольких сантиметров — я бы выгнал такого конструктора). У мужчин семенные канатики также делают петлю, огибая мочеточники. Ну и много других забавных вещей.

Каждый организм — и результат и, одновременно, жертва своей собственной истории. На каждом шаге эволюции отбор обеспечивает решение актуальных задач, без учёта перспективы. Заглядывать в будущие перспективы развития в эволюции просто некому (кроме «Создателей» из сказок, нарушающих принцип причинности – один из основных постулатов науки). Главный механизм эволюции — преимущественное выживание и оставление потомства существами, более приспособленными к тому образу жизни, который они ведут в данный момент, в той динамично изменяющейся среде, которая их окружает. Конечно, выживание, помноженное на отрезки времени, слабо понимаемые неискушённым разумом. В каждый следующий момент приспособления, которые были достигнуты на предыдущем этапе, могут оказаться морально безнадёжно устаревшими и стать «ископаемыми» генами.

Меняются условия жизни — меняется и образ жизни организмов, а «багаж» прежних эволюционных изменений никуда не пропадает. Многие результаты эволюции соответствуют не сегодняшнему времени, а прошлым этапам развития жизни. Всё потому, что эволюция не может ретроспективно оценивать свои творения. В отличие от версии «разумного замысла».

Ричард Докинз удачно сравнивает эволюцию с «восхождением на Пик Невероятного». Это можно сделать двумя способами – либо поднявшись по отвесной скале (концепция «небесного крючка», "Боинга-747" или невероятной удачи), либо постепенно, накапливая на каждом этапе изменения в организмах.

ри этом пути назад нет (об этом чуть ниже). Иногда в процессе «восхождения» встречаются «пики» поменьше, тогда организмы будут довольствоваться тем, что уже смогли накопить в процессе развития и далее модифицировать тела, исходя из того, что уже имеют и того, что диктуют условия среды.

Концепция «небесного крючка» (разумный творец, палеоконтакт и прочее) на первый взгляд психологически удобна, т.к. снимает много поверхностных вопросов. Кроме главного – на чём же держится этот «крючок»? Следуя законам формальной логики, мы получаем, что на ещё одном крючке и так далее — бесконечная редукция и концепция принципиально непознаваемого Создателя. Однако, он создал бы принципиально непознаваемый мир с принципиально непознаваемыми законами, чего в действительности не наблюдается — причины явлений порождаются известными законами, которые имеют логичные и проверяемые следствия. Неизвестные же явления вынуждают науку искать новые законы природы для их объяснения.

Этого не происходит в процессе постепенного «строительства здания» с помощью крана.

По какой причине происходит «строительство»? Казалось бы — согласно Второму закону термодинамики мы должны наблюдать постепенное разрушение сложных структур. Почему жизнь активно борется со смертью и при этом ещё зачастую усложняется?
А дело в том, что у тебя там не закрытый, а открытый перелом! наша планета — не закрытая, а открытая термодинамическая система, которая получает энергию от Солнца (бóльшую часть). Именно это обстоятельство и придаёт направление химическим реакциям в сторону уменьшения энтропии (усложняет и упорядочивает молекулы, «запасая» в них энергию локально).

Первоначально, конечно, бóльшую часть энергии собирают растения, запасая её в качестве глюкозы и других более сложных углеводов, таких, как, например, целлюлоза. В дальнейшем эта энергия расходуется, когда растения поедают травоядные животные (и симбиотические бактерии в их кишечнике), либо почвенные бактерии (без них, кстати, растения в процессе роста не могут усваивать жизненно необходимый им азот) и далее по сложным трофическим путям. Запасённая в растении энергия в виде углеводов понемногу расходуется в процессе жизнедеятельности её потребителей (поскольку КПД всех систем сильно меньше 1, «излишки» сбрасываются в виде тепла и либо рассеиваются в окружающую среду, либо используются другими существами). Есть и особые случаи существования жизни (например, т.н. «Чёрные курильщики»), не привязанной к нашему светилу, но мы их рассматривать не будем в рамках статьи.

Полезно знать, что в отличие от нынешней жизни на Земле, которая возникла один раз (откуда мы это знаем?), зрение ныне живущих видов развивалось совершенно независимо несколькими разными путями.

Во-первых, это зрение насекомых с их сложно устроенными фасетчатыми глазами, где каждый омматидий через небольшую сеть нейронов соединён со своим нервным отростком, идущим к зрительным долям мозга.

При этом количество омматидиев в таком глазе может достаточно сильно варьироваться (от 8-9 у муравья до 28 тыс. у стрекозы). У ракообразных, помимо фасеточных, могут быть и простые глазки, например, науплиальный глаз, называемый так потому, что он имеется у личинки науплиуса, хотя встречается и у взрослых раков (в процессе индивидуального развития животные зачастую переживают собственную «эволюцию»). Этот глаз представляет собой продукт слияния двух или четырёх глазных бокальчиков, состоящих из одного слоя светочувствительных клеток. В выемке бокальчика, обращенной к поверхности тела, находится преломляющий хрусталик. Глаз имеет инвертированное строение, так как нервные волокна, отходящие от концов ретинальных клеток, обращены в полость глазного бокала. У насекомых также встречаются непарные глазки, как дорсальные, так и латеральные.

Во-вторых, зрение высших головоногих моллюсков, чей глаз устроен почти так же, как наш. Но, в отличие от нашего, в нём сетчатка не инвертирована! По всей видимости, органы зрения моллюсков возникали у животных, потерявших прозрачность и раковина у моллюсков — гораздо более древнее «изобретение», чем зрение. Глаза моллюсков развивались как впячивания их поверхности, и поэтому эктодермальные ткани их сетчатки направлена внутрь глаза, а слой соединительной ткани, питающей их, оказался снаружи.

Кроме того, имеются такие существа, как морские гребешки, имеющие до сотни простых глазок, расположенных в два ряда по средней складке мантийного края.

Не могу не упомянуть совершенно уникальных рыб —
четырёхглазок, обитающих у поверхности, глаза которых разделены горизонтальной перепонкой, делящей их зрачок на две части и обладают способностью по-разному преломлять свет, чтобы одинаково и одновременно хорошо видеть над и под водой.

Но можно ли понять, не обращаясь к истории и эмбриологии, почему наш глаз устроен не так, как у головоногих, а намного менее логичным образом?

Нет. Но начать придётся издалека.

В ходе нашего эмбриогенеза (Хордовые) ЦНС образуется в процессе нейруляции как трубка из покровов, вворачивающаяся внутрь тела. Первые хордовые были мелкими животными-фильтраторами, плавающими в толще воды, изгибая тело. Проходящая вдоль тела нервная трубка обеспечивала волну сокращений мышц, плавно пробегающую вдоль их тела.

У слоя эктодермы есть две стороны — внешняя и внутренняя. Внешняя обращена наружу и формирует рецепторы. Внутренняя контактирует с мезодермой, обеспечивающей питание и поддержку эктодермального эпителия. Из этого следует, что в нервной трубке внешней (образующей рецепторы) стороне эктодермы соответствует не внешняя, а внутренняя её поверхность!

Из современных животных наиболее близки по строению тела к первым хордовым ланцетники — небольшие фильтраторы, которые прячутся от хищников в грунт. Органы их чувств довольно примитивны. Среди них — глазки Гессе, мелкие органы зрения, которые расположены внутри нервной трубки. Дело в том, что ланцетник полупрозрачен, и примитивным органам зрения, которые могут лишь отличать свет от тьмы, неважно, где располагаться: на наружной (и «смотреть» при этом на внешний мир) или на внутренней эктодермальной поверхности нервной трубки (и «смотреть» при этом в полость трубки). А вот с точки зрения безопасности светочувствительных клеток их расположение внутри тела оказывается более выгодным — меньше риск повреждения. Поэтому есть все основания полагать, что органы «зрения» первых хордовых были устроены подобным образом.

Каким образом можно прийти к более совершенной конструкции такого животного? Если оно сможет обнаруживать отдельные частицы пищи и избирательно их поглощать, его эффективность в эволюционной гонке повысится. Если эти частицы будут живыми, а животное всё-таки сможет их поглощать, несмотря на их попытки избежать этого, это изменение тоже окажется шагом в сторону большей эффективности (и позволит получить эволюционное преимущество). Так же, как и избавление от неэффективных органов зрения по всей длине нервной трубки, кроме головы, т.к. эти животные уже обладают аксиальной асимметрией и направлением движения. И достаточно обеспечить зрение лишь на голове, части тела, направленной в сторону тех раздражителей, которые нужно регистрировать. Как обеспечить развитие зрения? Приблизить участок нервной трубки, содержащей зрительные рецепторы, ближе к поверхности. А как увеличить резкость изображения? Модифицировать участок покровов, над прорастающим изнутри глазом, в преломляющую линзу — хрусталик. У некоторых головоногих, например, у наутилуса, он отсутствует. Связано это, по всей видимости, с «потерей» одного единственного регуляторного гена Six3/6, влияющего на развитие глаза и присутствующего почти у всех других животных.

Сложные глаза, как это ни удивительно, смогли «сконструировать» и одноклеточные организмы — динофлагелляты. И это, как ни странно, водоросли.

И у них есть следующий «джентльменский набор»: сетчатка, светопреломляющая линза, радужная оболочка и роговица. Всё это построено не из целых дифференцированных клеток, а из бывших органелл.

Что ж, эволюция достаточно часто повторяет саму себя. Был даже введён термин: «конвергентная эволюция».

Мы являемся многотканевыми животными со сложным планом строения. Тела хордовых, от червей до млекопитающих, развиваются из 3-х зародышевых листков — пластов клеток, которые в ходе эмбриогенеза формируют все ткани, органы и системы. Внешний (покровный) лист зародышевых тканей называется эктодермой. Внутренний, из которого впоследствии развивается кишечник — энтодермой. Между ними расположена мезодерма. Если подумать логически, станет ясно, что получение информации из внешней среды и её обработка являются функцией, которую должны выполнять производные наружного листка, эктодермы. Ведь с окружающей средой взаимодействует именно покровный эпителий.

В процессе эмбриогенеза человека глаза развиваются способом, который напоминает об их развитии в ходе эволюции нашего вида. Нервная трубка образует глазные пузыри, которые в процессе развития «тянутся» к поверхности. Эпителий над глазным бокалом формирует хрусталик, под которым расположено заполняющее пространство глазной камеры стекловидное тело, а сам вырост центральной нервной системы, складываясь несколько раз, образует сетчатку. Рецепторы в ней обращены в ту сторону, которая соответствует внешней стороне покровов, то есть внутрь самой сетчатки (!) Их кровоснабжение и иннервация обеспечивается не со стороны сосудистой оболочки, а со стороны глазной камеры, то есть оттуда, откуда приходит свет.

Чтобы её обеспечить, поверхность сетчатки должна быть «продырявлена» зрительным нервом и кровеносными сосудами. Так образуется «слепое пятно» — область на внутренней поверхности глаза.