История зрения или миф о «нечленимой сложности»

в 12:30, , рубрики: биология развития, Научно-популярное, физиология, эволюция

Факты не перестают существовать
оттого, что ими пренебрегают.

Олдос Хаксли

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.

Отрывок из книги «Самое грандиозное шоу на Земле»

Глаз позвоночного в своем лучшем случае, скажем у ястреба или человека, это превосходный точный инструмент, способный на чудеса высокого разрешения, конкурирующий с лучшими приборами от Цейсса и Никона. Будь это не так, Цейсс и Никон напрасно бы тратили время, производя фотографии высокого разрешения для наших глаз. С другой стороны, Германн фон Гельмгольц, великий германский ученый 19 века (вы можете назвать его физиком, но его вклад в биологию и психологию еще больше), сказал о глазе:

Если бы оптик хотел бы продать мне инструмент, которые имел бы столько таких дефектов, я бы счел полностью обоснованным обвинить его в небрежности в сильных выражениях и вернул бы инструмент назад.

Одна из причин, по которым глаз кажется лучше, чем его оценил физик Гельмгольц, в том, что позже мозг выполняет удивительную работу по улучшению изображения, как ультра-сложный автоматический фотошоп. Что касается оптики, человеческий глаз достигает качества Цейсса/Никона только в фовеальной области — центральной части сетчатки, которую мы используем для чтения. Когда мы сканируем сцену, мы передвигаем фовеальную область в разные части изображения, видя каждую в максимальной четкости и деталях, и мозговой «фотошоп» обманывает нас, заставляя думать, что мы видим всю сцену в одном и том же качестве детализации. Высококачественные Цейссы и Никоны между тем на самом деле отражают всю сцену с почти одинаковой четкостью.

Итак, то, чего не хватает глазу в области оптики, мозг дополняет при помощи своего утонченного программного обеспечения для симуляции изображений. Но я еще не упомянул наиболее зияющего примера несовершенства в оптике. Сетчатка вывернута наизнанку.

Представьте, что инженер представил бы позднему Гельмгольцу цифровую камеру с экраном из крошечных фотоэлементов, собранную для съемки изображений, проецируемых на поверхность экрана. Довольно разумно и очевидно, что каждый фотоэлемент имеет провод, соединенный с компьютером, где собирается изображение. Снова же, довольно разумно. Гельмгольц не отправил бы его обратно.

Но теперь представьте, что я скажу вам, что фотоэлементы глаза направлены назад, в обратную сторону от сцены, на которую смотрят. «Провода» соединяющие светочувствительные клетки с мозгом идут через всю поверхность сетчатки, так что световые лучи должны пройти через ковер собравшихся проводков перед тем, как попасть на светочувствительные клетки. Это неразумно, но все и того хуже. Одно из последствий того, что светочувствительные клетки направлены назад — то, что провода, передающие данные от них, должны как-то пройти через сетчатку назад к мозгу. В глазу позвоночного они собираются к особому отверстию в сетчатке, где ныряют сквозь нее. Отверстие, заполненное нервами, называется слепым пятном, поскольку оно не видит, но «пятно» — это слишком мягко сказано, поскольку оно весьма велико, скорее, как слепая область, что тем не менее не является слишком большим неудобством для нас благодаря «автоматическому фотошопу» мозга. И снова, верните его [инструмент] назад, он не просто плохо спроектирован, это дизайн полного идиота.

Или нет? Будь это так, глаз бы ужасно видел, но это не так. Он, в действительности, очень хорош. Он хорош потому, что естественный отбор, как чистильщик работая над бесчисленным множеством мелких деталей, прошелся после большой исходной ошибки установки сетчатки задом наперед и спас высококачественный точный инструмент. Это напоминает мне сагу о телескопе Хаббла. Вы помните, он был запущен в 1990 году и, обнаружилось, что он имеет крупный дефект. Из-за незамеченной ошибки в калибровке аппарата, когда его полировали на земле, основное зеркало хотя и немного, но [функционально-] значимо отклонялось от нужной формы. Дефект обнаружился после того, как телескоп был запущен на орбиту. Решение было смело и изобретательно. Астронавты, доставленные на телескоп, успешно смонтировали на нем нечто вроде очков. После этого телескоп заработал очень хорошо, и три последующих сервисных миссии обеспечили дальнейшее улучшение. Я хочу сказать, что даже крупный дефект конструкции, грубая ошибка может быть скорректирована последующей починкой, искусность и тонкость которой при соответствующих обстоятельствах совершенно компенсируют исходную ошибку. В эволюции в основном крупные мутации, даже если они могут привести к улучшению в правильном направлении, почти всегда требуют много дальнейших поправок, операций по зачистке множеством мелких мутаций, возникающих позднее и получающих преимущество при отборе, поскольку сглаживают острые кромки, оставленные исходной крупной мутацией. Вот почему люди и ястребы видят так хорошо, несмотря на грубую ошибку в их исходной конструкции. Снова Гельмгольц:

Глаз имеет все возможные дефекты, которые могут быть найдены в оптическом инструменте, и даже несколько специфичных только для него; но они так скомпенсированы, что неточность получаемого изображения при обычных условиях освещения очень незначительно превышает ограничения чувствительности, устанавливаемые размерами колбочек сетчатки. Но коль скоро мы делаем опыты в каких-либо других условиях, нам становятся заметны хроматическая абберация, астигматизм, слепое пятно, сосудистые тени, несовершенная прозрачность среды и все другие дефекты, о которых я говорил.

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.

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 1

При 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.

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 2

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.

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 3

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

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 4

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.

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 5

Ещё один пример необычного строения глаз у достаточно недавно обнаруженного вида лучепёрых рыб — малоротой макропинны. У неё прозрачная голова, сквозь которую она может видеть своими ярко-зелёными трубчатыми глазами (то, что выглядит, как глаза, является на самом деле органом обоняния):

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.

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 6
Отпечаток одного из первых представителей нашего типа — пикайи из кембрийских сланцев Берджес. Рядом — современный ланцетник.

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.

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 7
Передняя часть тела ланцетника. Глазки Гессе находятся внутри нервной трубки.

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.

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 8

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.

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 9

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.

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 10
Нейруляция у зародыша человека. Внешняя сторона эктодермы соответствует внутренней поверхности нервной трубки.

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.

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 11

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

История зрения или миф о «нечленимой сложности» - 12

Иными словами, сетчатка глаза «вывернута»: её рабочая поверхность обращена в сторону, противоположную той, в которую смотрит глаз. Никакими рациональными конструктивными соображениями такую особенность строения объяснить нельзя. Наоборот, в конструкции видны некоторые изменения, которые призваны смягчить неблагоприятные последствия инвертированности сетчатки. Например, нервные волокна, обеспечивающие связь с клетками сетчатки, лишены защитных миелиновых оболочек. Это делает нервы более прозрачными, принося в жертву скорость прохождения по ним сигнала.

Эволюция конкретного «родительского» вида, выбрав путь развития один раз, не может ретроспективно его поменять, поэтому тело сложных организмов напоминает, по выражению Р. Докинза, «лоскутное одеяло» из доработок и компромиссов. Примерно так же, как если бы конструктору предложили создать реактивный двигатель из лопастного, а лопастной — из парового с условием, что все промежуточные формы должны быть работоспособными, при этом максимально эффективно выполняющие свои задачи. Таким образом, мы не можем с позиции «Разумного замысла» объяснить такие крупные просчёты и грубые ошибки с локальными следами починок и компромиссов в конструкции нашего глаза.

Такого рода ошибки возникают не от плохого дизайна, а потому что «так исторически сложилось».

Только вдумайтесь — сложные системы, которые готовят своё будущее, находясь в настоящем и неся в себе информацию о прошлом. Неудивительно, что концепция эволюции кажется чудом и настолько контринтуитивна для нашего восприятия.

Познать величие природы, глядя в зеркало, которое нам предоставляет изучение нашей собственной эволюции — благородная цель нашего настоящего (настолько, насколько у чего-то вообще есть цели).

Источники информации:

1. Р. Докинз "Самое грандиозное шоу на Земле. Свидетельства эволюции" М.: Астрель: CORPUS, 2012.
2. "InsectaLib.ru: Насекомые — библиотека по энтомологии"
3. Ш. Кэрролл "Приспособиться и выжить!" Издательская группа АСТ, 2015 г.
4. Сайт "Элементы"

Автор: ra3vdx

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля