Pri katerem koli vretenčarskem živalskem bitju pogledamo, nas gleda z dvema očesoma. Sokoli, ki letijo nad našimi glavami, imajo prav tako dve očesi kot kladivarice, ki plavajo v oceanu. Strokovnjaki se že dolgo sprašujejo, kako so nastale oči vretenčarjev. Nove raziskave namigujejo na nenavaden začetek: raziskovalci trdijo, da so bili naši nevretenčarski predniki pred 560 milijoni let morda podobni kiklopom, torej so imeli na vrhu glave eno samo oko, ki se je šele pozneje razdelilo na dvoje.
Brezobrazno zapleteno?
Charles Darwin je veliko razmišljal o izjemni zapletenosti in izpopolnjenosti oči vretenčarjev, ko je razvijal svojo evolucijsko teorijo. »Oko mi še danes vzbuja srh,« je leta 1860 priznal prijatelju, ameriškemu botaniku Asi Grayu. Oko naj bi se med evolucijo nekako razvilo iz številnih delov, med njimi leče in mrežnice, prek vrste majhnih sprememb. Darwin ni znal povedati, kateri koraki so lahko vodili do tega, a njegovo razmišljanje je močno spodbujala raznolikost enostavnejših oči nevretenčarjev. Nekateri imajo le po eno kopico pigmenta, ki zaznava svetlobo, drugi nosijo preproste skodelice brez leče.
Nasprotniki evolucijske teorije pa so resno dvomili, da je evolucija oči sploh mogoča.
Kreacionisti so še v devetdesetih letih prejšnjega stoletja trdili, da bi naravna selekcija za »vzgojo« očesa potrebovala več milijard let, kar je precej več časa, kot življenje obstaja na Zemlji.
Dan-E. Nilsson, nevrobiolog z univerze Lund na Švedskem, se je zaradi teh trditev tako razburil, da se je odločil sam oceniti, koliko časa dejansko traja, da se lisa iz svetlobno občutljivih celic razvije v oko, ki ustvarja sliko. »Mislil sem, da bo to preprost izračun, zakaj ga ne bi naredili,« se spominja Nilsson.
Leta 1994 sta Nilsson in njegova kolegica Susanne Pelger prišla do sklepa, da se lahko oko, ki ustvarja sliko, razvije v samo nekaj sto tisoč letih.
»To seveda ni povsem natančno, a kaže, da je bilo za nastanek oči lahko na voljo ogromno časa«
pravi strokovnjak. Model se je ukvarjal samo z razvojem oblike očesa, v resnici pa se je zgodilo še veliko drugih sprememb. Pojaviti so se morale nove beljakovine, ki na primer v leči lomijo svetlobo, druge pa jo v mrežnici absorbirajo.
Leta 1994 raziskovalci o teh mikroskopskih podrobnostih še niso vedeli dovolj, da bi oblikovali hipotezo o njihovem nastanku. Trideset let pozneje pa to ne drži več. »Danes imamo na voljo ogromno izjemno dragocenih molekularnih podatkov,« pravi Nilsson. Zato so se on in drugi raziskovalci vida povezali, da bi oblikovali novo hipotezo o razvoju oči vretenčarjev.
»Če pogledamo vse dokaze, se nenadoma vse sestavi,« pravi Tom Baden, nevrobiolog z univerze Sussex, ki je prav tako sodeloval z Nilssonom. Strokovnjaki so v reviji Current Biology objavili svoj podroben scenarij evolucije oči vretenčarjev. »Sestavili smo verjetno zaporedje korakov, ki vodi do cilja,« pravi Baden.
Kiklop stopi na oder
Scenarij se začne pred približno 560 milijoni let, ko so naši nevretenčarski predniki večinoma še živeli na dnu oceana. Svoje glave brez možganov so iztegovali, da bi odfiltrirali odplavljene koščke hrane. Po mnenju Nilssona in njegovih kolegov je imel ta prednik vretenčarjev na vrhu glave eno samo skupino svetlobno občutljivih celic. Te celice so spremljale menjavanje dneva in noči, nastavljale biološko uro živali in dajale preproste signale o njihovem položaju, tako da so živali glavo dvignile ravno toliko, da so lahko jedle, same pa niso bile pojedene.
Nekateri potomci tega kiklopskega prednika so zapustili morsko dno in začeli plavati. To so bila še vedno preprosta bitja z drobnimi možgani, ki so hrano še naprej filtrirala med plavanjem v vodi. Zdaj pa so potrebovala več informacij o okolju, zato je njihovo edino oko postajalo vse bolj zapleteno. Na obeh straneh so se razvile skodelaste vdolbine, ki so bile občutljive tudi na smer vpadne svetlobe. Po mnenju Nilssona in kolegov so bile to lahko predhodnice mrežnice.
Zavedanje smeri svetlobe je živalim pomagalo pri orientaciji v vodi in jim omogočilo, da so plavale naravnost in ostale stabilne.
V več milijonih let so se naši predniki, ki so se prehranjevali s filtriranjem, razvili v majhne ribe z možgani in usti, s katerimi so lahko lovili žive živali. Nilsson in kolegi trdijo, da se ta preobrazba ne bi mogla zgoditi brez nadaljnje spremembe očesa. »Za njih se je našlo boljše mesto, na obeh straneh glave,« pravi Nilsson. Ko so se te protomrežnice premaknile na obe strani glave, so med svetlobno občutljivimi celicami nastale nove povezave, kar je povzročilo ostrejši vid, trdijo strokovnjaki.
Te zgodnje ribe so zdaj med plavanjem že lahko zaznavale tokove okoli sebe. »To je ponudilo povsem nov način gibanja po okolju in izogibanja oviram,« pravi Nilsson. Toda medtem ko so se nove oči selile na novo mesto, so živali na vrhu glave še naprej ohranjale svoje starodavno oko. Čeprav ni moglo zagotoviti podrobne slike okolja, je še vedno dajalo pomembne informacije, na primer merilo je splošno svetlost.
Tudi današnje ribe imajo na vrhu glave skupino svetlobno občutljivih celic, ki jo strokovnjaki imenujejo češarika.
»To je očarljiva nova zamisel, a še ni vse odločeno,« je dejal Karthik Shekhar, računski biolog z univerze Berkeley, ki ni sodeloval v raziskavi. Eden od načinov za preizkus te zamisli bi bil primerjava aktivnosti celic češarike in mrežnice pri več vrstah vretenčarjev. Če sta Nilsson in kolegi na pravi poti, morajo celice obeh organov kazati globoke molekularne podobnosti, kar je znak tesne evolucijske povezanosti. Po Badnovih besedah so on in kolegi te primerjave že začeli, delo pa so začeli z zebricami. »To je seveda šele začetek, ne konec,« pravi raziskovalec.
Večna vprašanja
Nove fosilne najdbe pa kažejo, da je evolucija oči lahko imela presenetljive preobrate, ki jih Baden in sodelavci pri oblikovanju svoje hipoteze niso upoštevali. V zadnjih letih so kitajski in britanski paleontologi preučevali najzgodnejše fosile vretenčarjev, ki izvirajo izpred 518 milijonov let. Ti fosili kažejo sledove oči ob strani glave, skupaj z lečami in mrežnicami. Toda na vrhu glave je še en par oči, ki prav tako ima leče in mrežnice.
Jakob Vinther, paleontolog z univerze v Bristolu, domneva, da so zgodnji vretenčarji, te male živali, na katere so lovili veliki nevretenčarji, morda ugotovili, da je izjemno široko vidno polje, ki ga zagotavljajo štiri oči, koristno. »Mislim, da so imeli štiri oči, ker so bili na dnu prehranjevalne verige,« pravi Vinther. Po Nilssonovem mnenju so lahko dodatne oči nastale zaradi drastične spremembe v DNK vretenčarjev. Nekatere raziskave kažejo, da se je v zgodnji fazi evolucije vretenčarjev podvojil celoten genom. Dodaten nabor genov pa je lahko povzročil tudi dodatne oči.
Po Vintherjevih besedah so vretenčarji dodatne oči morda izgubili pozneje, ko so se razvili v vrhunske plenilce.
»Ko so se povzpeli više v prehranjevalni verigi, razdeljenega vida niso več potrebovali,« pravi. »Dodatne oči so postale zastarele.« Vretenčarji so svoje dodatne oči sicer izgubili, a starodavno svetlobno občutljivo tkivo na vrhu glave je ostalo. Ko so ribe začele osvajati tudi kopno, je njihova češarika ostala in jo imamo tudi mi, ljudje, še danes.
Pri nas in drugih sesalcih pa se je češarika pogreznila v temno globino možganov, zato ne more več neposredno zaznavati svetlobe. Namesto tega se svetlobni signali iz naših oči posredujejo češariki, ki živčne celice v njej spodbudi, da glede na čas dneva izločajo različne hormone.
Prihodnji poskusi bodo morda razkrili več o tem, kako je potekal razvoj oči vretenčarjev v pol milijarde let. A na vse verjetno nikoli ne bomo dobili odgovora. Zato si Nilsson najbolj želi stroj časa, da bi dobil povsem zanesljive informacije. »Želel bi preživeti le eno uro pred 600 milijoni let, da bi si ogledal živali, ki so takrat živele, in videl, kakšne oči so dejansko imele,« pravi hrepeneče.
