Co widzą zwierzęta? Wyjaśniamy ewolucję oka oraz to dlaczego ma tak wiele funkcji

W swoim laboratorium na Szwedzkim Uniwersytecie Lund Dan-Eric Nilsson dwojgiem swoich stalowobłękitnych, skierowanych ku przodowi oczu uważnie przygląda się oczom kostkomeduzy.

W przeciwieństwie do niego meduza dysponuje 24 ciemnobrązowymi oczkami zgrupowanymi w czterech ropaliach, czyli ciałkach brzeżnych. W swoim gabinecie Nilsson pokazuje mi model jednego z nich: wygląda jak piłka golfowa, która zaczęła pączkować. Z ciałem meduzy łączy ją giętka szypuła. –Gdy pierwszy raz to zobaczyłem, nie mogłem uwierzyć własnym oczom – mówi Nilsson. – Wyglądały dziwacznie. Cztery z sześciu przynależnych do każdego ropalium oczek to proste detektory światła: szczeliny i dołki, ale ostatnie dwa są zaskakująco wysublimowane; mają skupiające światło soczewki (jak oczy Nilssona) i potrafią odbierać obrazy, choć w gorszej rozdzielczości niż naukowiec. Nilsson używa swoich m.in. do zbierania informacji o różnorodności widzenia w świecie zwierząt.

Zobacz galerię zdjęć oczu zwierząt. Rozpoznasz te gatunki?

Ale co z kostkomeduzą? Należy do najprostszych organizmów. Jest tylko pulsującą, galaretowatą czaszą z czterema ciągnącymi się za nią pęczkami parzących macek. Nie ma nawet konkretnego mózgu – tylko pierścień neuronów wokół dzwonu. Jakich informacji mogłaby potrzebować? W 2007 r. zespół Nilssona wykazał, że kostkomeduza Tripedalia cystophora wykorzystuje swoje dolne soczewki do wykrywania zbliżających się przeszkód, takich jak korzenie mangrowca, wśród których pływa. Kolejne cztery lata zajęło badaczom odkrycie, do czego służą górne soczewki. Pierwszą ważną wskazówką była obecność w ropalium swobodnego „obciążnika”, który sprawia, że górna soczewka jest zawsze skierowana ku górze; nawet, gdy meduza pływa „do góry nogami”. Jeśli to oko dostrzeże ciemne plamy, jego właścicielka wie, że pływa pod mangrowym listowiem, gdzie może znaleźć drobne skorupiaki, którymi się żywi. Jeśli soczewka widzi tylko jasne światło, to znaczy, że zwierzę zbłądziło na otwarte wody i ryzykuje głodową śmiercią. Dzięki oczom ta bezmózga galareta może zatem odnajdywać pokarm, unikać przeszkód i... przeżyć.

Kostkomeduza (Tripedalia cystophora)

Oczy kostkomeduzy są tylko ogniwem w niemal niekończącym się łańcuchu odmian, jakie prezentują oczy w królestwie zwierząt. Niektóre widzą tylko czarno-biały obraz. Inne postrzegają całą tęczę barw, a nawet jeszcze więcej, takich, jakich ludzkie oko nie widziało. Są takie, które nie umieją nawet sprecyzować, skąd dociera do nich światło, i takie, które potrafią dostrzec zdobycz umykającą setki metrów dalej. Najmniejsze oczy, os z rodziny Mymaridae, są niewiele większe od ameby. Największe mają rozmiar obiadowego talerza i należą do ogromnych kałamarnic.

Oko kałamarnicy, podobnie jak nasze, działa niczym aparat fotograficzny; ma pojedynczą soczewkę skupiającą światło na pojedynczej siatkówce pełnej fotoreceptorów – komórek, które pochłaniają fotony i zmieniają ich energię w impulsy elektryczne. W przeciwieństwie do niego złożone oko muchy dzieli przychodzące światło między tysiące oddzielnych jednostek, z których każda ma własną soczewkę i zestaw fotoreceptorów. Oczy człowieka, muchy i kałamarnicy są umieszczone na głowach ich właścicieli parami, ale np. przegrzebki mają rzędy oczek wzdłuż płaszcza, u rozgwiazd są one umieszczone na końcach ramion, a u jeżowców purpurowych całe ciało działa jak jedno wielkie oko. Są oczy z dwuogniskowymi soczewkami, z lustrami i takie, które w tym samym momencie patrzą w górę, w dół i na boki.

Z jednej strony taka różnorodność zadziwia. Wszystkie oczy wykrywają przecież światło, a światło zachowuje się w sposób przewidywalny. Można je jednak wykorzystać na różne sposoby. Światło określa porę dnia, głębokość wody, obecność cienia. Odbija się od wrogów, kompanów i schronienia. Kostkomeduza używa go do znajdowania bezpiecznych żerowisk. Ty – do skanowania otoczenia, interpretowania mimiki twarzy czy czytania tych słów. Różnorodność zadań, jakie wykonują oczy, ograniczona jest wyłącznie pomysłowością natury. Żeby zrozumieć,
jak ewoluowały, naukowcom trzeba więcej niż tylko poznać ich budowę. Muszą zrozumieć, jak zwierzęta używają swoich oczu.

Kilka lat temu Dan-Eric Nilsson z Uniwersytetu Lund w Szwecji wpisał ten pomysł do modelu przedstawiającego ewolucję oka w czterech etapach, z których każdy jest definiowany nie poprzez budowę, lecz funkcję, czyli to, co pozwala zwierzęciu robić.

Etap pierwszy obejmuje monitorowanie natężenia światła w otoczeniu, by móc ocenić porę dnia albo głębokość, na jakiej zwierzę jest w wodzie. Do tego nie potrzeba prawdziwego oka, wystarczy jeden fotoreceptor. Stułbia, kuzynka meduz, nie ma oczu, ale ma w ciele takie fotoreceptory. Todd Oakley i David Plachetzki z University of California w Santa Barbara wykazali, że te czujniki kontrolują komórki parzydełkowe stułbi tak, że łatwiej „odpalają” one w ciemności. Być może pozwala to stworzeniu reagować na cień przemykającej obok ofiary, a może zachować parzydełka w gotowości na noc, gdy łatwiej o zdobycz.

W drugim etapie modelu Nilssona zwierzęta potrafią stwierdzić, skąd dochodzi do nich światło, bo ich fotoreceptory zyskują tarczę, zwykle ciemny barwnik, która blokuje promienie nadbiegające z określonych kierunków. Taki receptor daje stworzeniu jednopikselowy obraz świata – niewystarczający, by uznać to za prawdziwe widzenie, ale dość dobry, by mogło ono przemieszczać się w kierunku źródła światła albo odpłynąć od niego w dający schronienie cień.

W trzecim etapie posiadające barwnikową tarczę fotoreceptory łączą się w grupy, a każdy obraca się w nieco innym kierunku. Teraz ich właściciele mogą zbierać informacje o świetle docierającym z różnych stron, tworząc obraz świata. To punkt, w którym wykrywanie światła zmienia się w prawdziwe widzenie, a kupki fotoreceptorów stają się autentycznymi oczami. Zwierzęta posiadające oczy trzeciego typu potrafią znaleźć odpowiednie dla siebie schronienie (jak rozgwiazdy) i unikać przeszkód (jak kostkomeduzy). Ale dopiero na czwartym etapie ewolucja oczu – i ich właścicieli - naprawdę rusza z kopyta. Pojawienie się soczewek sprawia, że obraz staje się ostry i pełen szczegółów. – Gdy dotrzesz do czwartego etapu, lista możliwych zadań zdaje się nie mieć końca – mówi Nilsson.

Ta elastyczność mogła być jedną z iskier zapoczątkowujących „kambryjski wybuch”. Nagle rywalizacja między drapieżnikiem a jego zdobyczą, w przeszłości ograniczona do wywąchiwania, smakowania i dotykania przez bezpośredni kontakt, przeniosła się na odległość. Zaczął się wyścig zbrojeń; zwierzęta zwiększały swe rozmiary i mobilność, zaczęły inwestować w obronne pancerze, kolce i zbroje.

W toku ewolucji zmieniały się też ich oczy. Wszystkie podstawowe struktury zaangażowane w widzenie były obecne już w kambrze, ale od tego czasu przepracowano je na milion sposobów – właśnie do bardzo wyspecjalizowanych zadań. Samce jętek wyglądają, jakby ich wielkie, złożone oczy były przyklejone do drugich, mniejszych, przeznaczonych wyłącznie do przeszukiwania nieba pod kątem sylwetek fruwających samiczek. Anableps, ryba zwana też – bardzo adekwatnie – czworookiem, podzielił każde z pary swoich, działających jak aparat oczu na dwie części. Jedna wystaje ponad wodę i bada niebo, podczas gdy druga szuka zagrożeń i zdobyczy pod powierzchnią.

Ludzkie oko jest stosunkowo szybkie, przystosowane do wykrywania kontrastów, a pod względem rozdzielczości przewyższają je tylko oczy drapieżnych ptaków. To dobre, uniwersalne oko dla najbardziej wszechstronnego ze zwierząt.

Ewolucja złożonego oka nie jest zatem zaprzeczeniem teorii naturalnej selekcji, a raczej jednym z najwspanialszych przykładów jej działania.

Jak widzą zwierzęta? Oto kilka przykładów:

1 z 16

Co widzą zwierzęta?

Ryś rudy

Fot. David Liittschwager

2 z 16

Co widzą zwierzęta?

Ara żółtoskrzydła

Fot. David Liittschwager

3 z 16

Co widzą zwierzęta?

Dzioborożec kafryjski

Fot. David Liittschwager

4 z 16

Co widzą zwierzęta?

Lorysa górska

Fot. David Liittschwager

5 z 16

Co widzą zwierzęta?

Lemur niebieskooki

Fot. David Liittschwager

6 z 16

Co widzą zwierzęta?

Gekon liściogłowy

Fot. David Liittschwager

7 z 16

Co widzą zwierzęta?

Rzekotka czerwonooka

Fot. David Liittschwager

8 z 16

Co widzą zwierzęta?

Pies

Fot. David Liittschwager

9 z 16

Co widzą zwierzęta?

Struś czerwonoskóry

Fot. David Liittschwager

10 z 16

Co widzą zwierzęta?

Pyton zielony

Fot. David Liittschwager

11 z 16

Co widzą zwierzęta?

Kameleon lamparci

Fot. David Liittschwager

12 z 16

Co widzą zwierzęta?

Nosorożec biały

Fot. David Liittschwager

13 z 16

Co widzą zwierzęta?

Oko oku nierówne, nawet u tego samego zwierzęcia. Patrzące w górę lewe oko mątwy Histioteuthis heteropsis jest dwa razy większe od prawego, lepiej dostrzega zdobycz w padającym z góry świetle. Mniejsze (niewidoczne) oko głowonoga skierowane jest w ciemną toń poniżej; wykrywa świecącą zdobycz i drapieżniki.

ZDJĘCIA ZROBIONO NA POKŁADZIE WESTERN FLYER, INSTYTUTU BADAWCZEGO
MONTEREY BAY AQUARIUM (powyżej); ALISON SWEENEY, UNIVERSITY OF PENNSYLVANIA (wstawki); ŹRÓDŁO GRAFIKI: DAN-ERIC NILSSON

14 z 16

Co widzą zwierzęta?

Gekon Gargulcowy

Fot. David Liittschwager

15 z 16

Co widzą zwierzęta?

Oczy złożone wyewoluowały ponad 500 mln lat temu, w kambrze, i to wyjątkowo szybko. Skamieniałe oko stawonoga z Australii, złożone z 3 tys. soczewek (z prawej) mogłoby widzieć nawet przy bardzo słabym świetle. – To zadziwiające, jak niewiele zmieniło się od tamtego czasu – mówi Dan-Eric Nilsson. Współczesna mucha Sarcophaga crassipalpis z rodzaju ścierwic (poniżej) też widzi świat tysiącem soczewek.

ZDJĘCIA ZROBIONO W CENTRUM NAUKOWYM SOUTH AUSTRALIAN MUSEUM W ADELAJDZIE, AUSTRALIA (SKAMIELINA); ŹRÓDŁO GRAFIKI: DAN-ERIC NILSSON

16 z 16

Co widzą zwierzęta?

Człowiek

Fot. David Liittschwager