فرگشت چشم‌ها، دیدن نور. بخش‌آخر

فرگشت چشم

تکامل چشم پیچیده، که به هیچ عنوان نمی‌تواند مانعی بر نظریه‌ی انتخاب طبیعی در طبیعت باشد، یکی از باشکوه‌ترین نمونه‌های آن محسوب می‌شود. داروین در پایان شاهکار خود نوشت:«در این نمایشی از زندگی یک عظمتی وجود دارد.» چشم مرحله‌ی چهارمش بود که به او فرصت داد آن شکوه و عظمت را ببیند. الگوی نیلسون یک بحث قدیمی را روشن می‌کند این که چشمان یک بار تکامل یافتند یا چندین بار.

ارنست مایر، از اسطورهای آلمانی‌تبار زیست‌شناسی تکاملی، اظهار کرد که چشم‌ها بین ۴۰ تا ۶۵ خاستگاه مستقل داشتند، زیرا در اشکال و فرم‌های متفاوتی ظاهر شدند.
مرحوم والتر گرینگ، زیست شناس تکاملی سوییسی، معتقد بود که چشم‌ها تنها یک بار تکامل پیدا کردند، زیرا کشف کرد که تقریبا چشمِ همه‌ی موجودات چشم‌دار با توسعه‌ی یک ژن اصلی به نام پاکس۶ (Pax۶) به وجود آمده است. هر دوی آن‌ها درست می‌گفتند.

در چند مورد خاص چشم‌های مرحله‌ی سوم، به طور قطع از تکامل تدریجیِ چشم‌های ساده‌تر پیشینِ مرحله‌ی دوم به وجود آمدند.(اینفوگرافیک مقاله بخش۲) برای مثال، عروس دریایی، چشم‌های خود را مستقل از سایر انواع نرمتنان، مهره‌داران و بندپایان به دست آورد. اما چشم‌های تمامی این ارگانیسم‌ها از گسترش گیرنده‌های نوری مرحله اول به وجود آمده‌اند.

ما از همه ی این‌ها مطلع هستیم، چون مصالح اولیه‌ی همه‌ی چشم‌ها یکی است. هیچ اندام بینایی بدون پروتئین‌های موسوم به اوپسین‌ها (Opsin)-اساسی مولکولی همه‌ی چشم ها-عمل نمی‌کند. اوپسین‌ها بادربرداشتن یک کروموفور فعال هستند؛ مولکولی که قادر است انرژی یک فوتون را جذب کند. انرژی مزبور بلافاصله کروموفور را به شکل دیگری درمی‌آورد و اوپسین را هم به تغییر وا می‌دارد. این دگرگونی باعث ایجاد یک سری واکنش‌های شیمیایی شده که به یک سیگنال الکتریکی ختم می‌شوند. کروموفور مثل سوییچ ماشین است و مولکول اوپسین مثل سوییچ احتراق با چرخش آن‌ها، موتور بینایی راه می‌افتد.

هزاران نوع اوپسین وجود دارد، اما همه به هم ربط دارند. چند سال پیش، مگان پورتر، که حال در دانشگاه هاوایی در مانوا مشغول به کار است، توالی تقریبا ۹۰۰ ژن را با هم مقایسه کرد. روی پروتئین‌های اوپسین جانوران مختلف قلمرو حیوانات کد گذاشت و تایید کرد که همه آن‌ها یک جد مشترک دارند. آن‌ها یک بار به وجود آمده و به طیف وسیعی بسط پیدا کرده‌اند. پورتر آن را به شکل یک دایره می کشد، که خطوطی از یک نقطه به سمت بیرون امتداد دارند. مانند یک چشم بزرگ.

مادر همه‌ی اوپسین‌ها از هیج به‌وجود نیامده است. تکامل، اولین اوپسین‌ها را از پروتئین‌هایی به وجود آورد که بیشتر مانند ساعت عمل می‌کردند تا حسگرهای نوری. این پروتئین‌های اجدادی حافظ ملاتونین بودند، یعنی هورمونی که ساعت بیولوژیک بسیاری از ارگانیسم‌ها را در طول شبانه روز کنترل می‌کند. ملاتونین با نور از بین می‌رود، بنابراین نبود آن می‌تواند نشانگر اولین اشعه‌های نور صبحگاهی باشد، اما تنها یک بار هر موجودی که برای درک آغاز روز به ملاتونین نیاز دارد، باید دائما مقدار بیشتری از آن را تولید کند.

بر خلاف آن، کروموفورهایی که با اوپسین‌ها جفت هستند، این مشکل را به وجود نمی‌آورند. آنها با جذب نور صرفا تغییر شکل می‌یابند و به راحتی به شکل اولیه باز می‌گردند. بنابراین وقتی پروتئین‌های نگهدارنده ملاتونین دستخوش جهش ژنتیکی شدند. ناگهان به حسگرهای نوری قابل استفاده مجدد تبدیل شدند. آنها نخستین اوپسین‌ها بودند. آنها به قدری مفید بودند که تکامل هرگز گزینه‌ی بهتری پیدا نکرد؛ تنها روی آن بن مایه تنوعاتی ایجاد کرد.

در مورد سایر اجزای چشم این طور نبود. برای مثال عدسی‌هارا در نظر بگیرید. تقریبا همه‌شان از پروتئین‌هایی به نام کریستالین به وجود آمده‌اند، که با تمرکز نور روی گیرنده‌های نوری بنیادی به قدرت بینایی صاحب خود بهبود می‌بخشند. اما، بر خلاف اوپسین‌ها که از یک منشأ نشئت گرفته‌اند، کریستالین‌ها تنها نامشان یکی است.

کریستالین‌های شما و کریستالین‌های یک ماهی مرکب یا یک مگس ربطی به هم ندارند. گروه‌های حیوانی مختلف مستقلا و باهموند کردن پروتئین‌های دارای کارایی‌های مختلف و بی‌ارتباط با بینایی، انواع کریستالین‌های مخصوص خودشان را به وجود آوردند. بعضی ها الکل را تجزیه کرده و بعضی‌های دیگر با استرس برخورد می کردند. اما همگی پایدار قابل تمرکز و دارای قابلیت شکستن نور بودند، که برای ساخت عدسی‌ها بسیار مناسب بود.

eye-natgeo-010عجیبترین انواع عدسی‌های چشم در طبیعت اصلا کریستالین ندارند. آنها متعلق به چیتون ها(chion) هستند. گروهی از نرمتنان دریایی بیضی شکل که با زره‌پوشی تزیین شده‌اند. این صفحات زرهی با صدها چشم کوچک مرحله‌ی سوم پوشیده شده‌اند(درباره چشم مرحله سوم رجوع شود به اینفوگرافیک) که هر کدام عدسی مخصوص خودشان را دارند. عدسی‌ها از یک ماده‌ای معدنی به نام آراگونیت (aragonite) ساخته شده‌اند، که چیتون‌ها آن را از اتم‌های کلسیم و کربنات آب دریا به دست می‌آورند. به عبارت ساده‌تر، این موجود راهی پیدا کرده تا با دیدن از میان لایه‌ای سنگی قدرت بینایی‌اش را دقیق‌تر کند و وقتی عدسی‌های سنگی‌شان فرسوده شوند، چیتون‌ها نمونه‌های جدیدش را می‌سازند.

اوپسین‌ها، عدسی‌ها و سایر اجزای چشم نشان از جور شدن وصله‌های تکاملی ناجور دارند. مدام مصالح موجود را به کارهای جدید وا می‌دارند و ساختارهای ساده را با سرهم‌بندی کردن به شکل نمونه‌های پیچیده‌تر درمی‌آورند. اما تکامل نمی‌تواند آینده را پیش بینی کند. وقتی وارد یک جریان میشود، نمی‌تواند دوباره از اول شروع کند، بنابراین کارهایش همیشه همراه با نقصی هستند.

ترکیب چشمان بیش از هر چیزی نیسلون(محقق) را اذیت می‌کند. ساختار آن‌ها، مرکب از بسیاری واحدهای تکراری، در مورد وضوح تصویری جایی برای اشتباه نمی‌گذارند. اگرمگسی می‌خواست به وضوح انسان ببیند. باید چشمی به پهنای یک متر میداشت. نیلسون میگوید: «حشرات و سخت‌پوستان، با وجود چشمان ترکیبی‌شان، تا این حد موفق شده‌اند، و موفقیتشان به دلیل نوع چشمشان نیست. اگر چشمهای‌شان مانند دوربین کار می‌کرد، وضعشان خیلی بهتر بود. اما تکامل راه آن را پیدا نکرد. تکامل باهوش نیست.»

اریک وارانت، همسایه‌ی مجاور نیلسون در دانشگاه الوند، نظریه‌ی ملایم‌تری دارد. او می‌گوید: «چشم‌های حشرات از قدرت تفکیک زمانی بسیار سریع‌تری برخوردارند. دو مگسی باسرعت بسیار بالایی دنبال همدیگر می‌کنند و در هر ثانیه ۳۰۰ اشعه‌ی نوری می‌بینند. ما انسان‌ها تنها ۵۰ اشاعه می‌بینیم.» سنجاقک تقریبا دورتادورش را می‌بیند. چشم‌های ما این کار را نمی‌کنند. و چشم نوعی بید (elePhanthawkmoth)، که وارانت به دقتروی أن مطالعه کرده، به قدری حساسی است که حتی در نور ستارگان هم میتواند رنگ‌ها را تشخیص بدهد.

وارانت می‌گوید: «ما از بعضی نظرها بهتریم، اما از خیلی نظرهای دیگر بدتر هستیم. چشمی وجود ندارد که همه چیزش کامل باشد. چشمان دوربین‌مانند ما هم مشکلات خودشان را دارند. برای مثال، شبکیه‌ی چشم ما به طور عجیبی پشت‌ورو ساخته شده است. گیرنده‌های نوری پشت شبکه‌ی دَرهَمی از نورون‌ها قرار گرفته‌اند، مانند این که سیم‌های دوربین جلوی لنز آن قرار بگیرند.

این رشته‌های عصبی همچنین باید از میان سوراخ‌هایی در لایه‌ی گیرنده‌ی نور عبور کنند و به قشر مغز برسند. برای همین است که یک نقطه‌ی کور داریم. این نقصی‌ها و عیوب ما هیچ مزیتی ندارند، تنها جزو ویژگی‌های غیرعادی تاریخچه‌ی تکاملی‌مان محسوب می‌شوند.

چشم ما در جهت حل آن نقص‌ها تکامل یافته است. در شبکیه‌ی چشم ما سلول‌های درازی به نام مولرگلیا (Mullergia) هستند که نقش فیبرهای نوری را بازی می‌کنند و نور را از نورون‌ها به گیرنده‌های نوری بنیادی می‌رسانند؛ و مغز ما جزئیات از دست رفته‌ی نقطه‌ی کورمان را پر می‌کند اما بعضی از مشکلات اجتناب ناپذیرند.

گاهی امکان دارد شبکیه‌ی چشم‌مان از نسج بنیادی جدا شده و باعث نابینایی شود. اگر نورون‌ها پشت گیرنده‌های نوری قرار می‌گرفتند و آن‌ها را مهار می‌کردند، این اتفاق نمی‌افتاد. چشم‌های دوربین مانند هشت‌پاها و ماهی‌های مرکب دارای این طراحی معقول است. هشت‌پاها نقطه‌ی کور ندارند. شبکیه‌ی چشم‌شان هرگز جدا نمی‌شود. مال انسان می شود، چون تکامل طبق برنامه پیش نمی‌رود. بدون فکر در راهی پرپیچ وخم پیشرفته، به خواست خودش عمل می‌کند.

گاهی اوقات دوربرگردان می‌زند. چشم‌ها بسته به نیاز صاحبان‌شان پیچیده می‌شوند، و در صورت تقلیل آن نیازها، چشم‌ها هم تقلیل می‌یابند. اکثر پرندگان و خزندگان رنگ را با کمک چهار نوع گیرنده‌ی نوریِ مخروطی‌شکل می‌بینند، که هر کدام مجهز به اوپسین مخصوص دید رنگ متفاوتی است.

اما پستانداران از جد شب‌زی به‌وجود آمده‌اند که دو تا از این مخروط‌هایش را از دست داده، آن هم احتمالا به این دلیل که اهمیت دیدرنگی هنگام شب کمتر بوده و کارایی مخروط‌ها در روشنایی روز بیشتر است.

اکثر پستانداران هنوز این کمبودها را دارند و رنگ‌های کمی از دنیا را می‌بینند. سگها تنها دو مخروط دارند، یکی برای دیدن رنگ آبی و دیگری برای قرمز اما پستاندارانِ نخستینِ جهان قدیم، بخشی از این کمبود را با تکامل مجدد مخروط حساس به رنگ قرمز جبران کردند. این امر چشمان اجداد ما را به دنیایی از رنگ‌های قرمز و نارنجی باز کرد که قبلا نمی‌دیدند و احتمالا به آن‌ها کمک کرد تا میوه‌های رسیده و نرسیده را از هم تشخیص بدهند.

پستانداران دریایی جهت عکس آن حرکت کردند و درحالی که به شکل حیوانات آبزی تکامل یافتند، مخروط آبی خود را از دست دادند. بسیاری از نهنگ‌ها مخروط قرمز را از هم دست دادند. آنها تنها گیرنده‌های نوری میله‌ای دارند، که برای دیدن در اعماق تاریک اقیانوسی بسیار مناسب هستند، اما برای تشخیصی رنگ بی فایده‌اند.

وقتی برخورداری از حس بینایی بی‌فایده می‌شود، بعضی از حیوانات چشمهای‌شان را به طور کامل از دست می‌دهند. ماهی تترای مکزیکی بهترین مثال آن است. در دوران زمین‌شناسیِ پلیستوسن، تعدادی از این ماهی‌های کوچک آب‌های شیرین به داخل چندین غار عمیق شنا کردند. چشمهای‌شان در تاریکی مطلق غارها استفاده‌ی چندانی نداشت، بنابراین نسل‌های بعدی به شکل ماهی‌های کورغارزی تکامل یافتند، با پوستی به رنگ صورتی روشن که روی قسمت چشم‌هاراهم می‌پوشاند. انحطاط چشمان به این دلیل بود که ساختن و نگهداری از آنها انرژی زیادی می‌برد. به خصوص نورون‌های فرستنده‌ی سیگنال‌ها از گیرنده‌های نوری به مغز که باید همیشه آماده‌ی حرکت باشند. این امر توضیح می‌دهد چرا چشم حیوانات بیش از حد نیازشان پیشرفت نکرده و در صورت بی‌استفاده بودن، آن قدر راحت آنها را از دست می‌دهند.

انرژی هدردادن روی یک سیستم حسی بی‌فایده می‌تواند به انقراض منتهی شود. ممکن است چشمها از اندام‌های قدیمی به‌وجود آمده باشند، دارای نقص های تکاملی جزئی و مستعد از هم پاشیدن باشند، اما به طور شگفت‌انگیزی هم پاسخگوی نیازهای صاحبان خود هستند. آنها گواه خلاقیت بی‌پایان تکامل(فرگشت) و صرفه‌جوییِ بی‌رحمانه‌ی آن هستند.

گاگلز چشم میگو آخوندک

در دانشگاه مریلند، شهرستان بالتیمور (Ballmore County)، تام کرونین به داخل یک تانک آکواریوم خیره می‌شود و دو چشم گرد دیگر هم مانند کلوچه‌های روی یک ساقه، نگاه او را پس می‌دهند. «مستر گاگلز» (MrGoogles)، نامی که کرونین برای او انتخاب کرده، حیوانی است زیبا با پوششی مزین به رنگ‌های هلویی، سفید، سبز و سرخ خونین، او یک میگوآخوندک است، از گروه سخت پوستان با نامی برگرفته از بازوهایی که مانند آخوندک، از زیر قسمت سر بیرون زده و به سرعت ضریه وارد می‌کنند. انتهای بازوهای مستر گاگلز به شکلی چکش‌های نیرومندی درآمده و با چنان سرعت وقدرتی عمل می‌کند که حیوان می‌تواند با کمک آن‌ها صدف‌های دریایی و شیشه‌ی آکواریوم را خرد کند.

کرونین می‌گوید: «او از برخی جهات، به حیوان خانگی تبدیل شده. حیوان بسیار جذاب و بامزه‌ای است.» چشم‌های میگوآخوندک سه قسمت مجزا دارند که دیدش روی یک نوار باریک از فضا متمرکز است، که بدون کمک چشم دیگر عمق دید را تشخیص می‌دهد. درضمن، قسمت‌هایی از طیف فرابنفش که چشم ما قادر به دیدن آن نیست، و نور پلاریزه را هم می‌بیند.

بنا به کشف کرونین، در حالی که در شبکیه‌ی چشم ما سه نوع‌گیرنده‌ی رنگی وجود دارد، میگوهای آخوندک ۱۲ گیرنده دارند، که هر کدام برای یک رنگ مختلف تنظیم شده‌اند. او به یاد می‌آورد که «کاملا بی‌معنی بود. هیچ چیزش قابل توجیه نبود.» دانشمندان سال‌ها بر این باور بودند که میگوآخوندک با آن همه گیرنده بدون شک قهرمان تشخیصی رنگ است و کوچکترین فرق بین آن‌ها را می‌بیند.

اما هان توئن، از دانشگاه کویینزلند، استرالیا، این باور را در سال ۲۰۱۳ در هم شکست.او فیبرهای نوری با رنگ‌های مختلف به میگوهای آخوندک نشان داد، و هرگاه میگو به یک رنگ خاصی حمله می کرد، خوراکی جایزه می‌گرفت. بعد رنگها را به فاصله کم از هم قرار داد تا حیوان دیگر نتواند آن‌ها را از هم تشخیص بدهد. نتیجه‌اش بسیار بد بود؛ حتی رنگ هایی را که به وضوح متفاوت بودند، از هم تشخیصی نمی‌داد. پس آن همه گیرنده برای چه بود؟ از نظر توئین کاملا به  قابلیت‌های جدلی ربط دارد.

ما در شبکیه‌ی چشم خود بسیاری از تصاویر را پردازش می‌کنیم و پیش از ارسال مخروط‌ها به مغز، اطلاعات را به آن‌ها اضافه یا از آنها کم می‌کنیم. شاید میگو آخوندک هر ۱۲پاسخ گیرنده‌های رنگی خود را مستقیما به مغز می‌فرستد و مغز داده‌های خام را با جدولی از رنگ‌های مختلف مقایسه می‌کند. میگو آخوندک در تشخیص بین رنگ‌ها منطقی ندارد و چنین سیستمی می‌تواند در امر تشخیص رنگ‌ها او را یاری دهد، که در نهایت هنگام ورود ضربه‌های سریع به سرعت تصمیم‌گیری کند. اما کرونین بازهم متقاعد نشده است. او در آزمایشگاه خود، پیپتی را به یک پتریدایش نزدیک می کند که حاوی یک میگو آخوندک کوچکتر است به طول تنها چند سانتی‌متر میگوشی مزاحم را با چشمان خود ردیابی کرده، سپس ضربه را وارد می کند.

ضربه به اندازه‌ای محکم است که صدای ترق آن، مانند صدای بشکن، شنیده می‌شود. کرونین میگوید: «این آخوندک قبل از اینکه ضرب‌های وارد کند، خیلی فکر کرد» در حالی که بشکن زد، ادامه داد: «این تصمیمی نیست که آنی بگیری» «سوالی که باقی می‌ماند. همه اینها برای چیست؟» این همان سوال همیشگی دن-اریک نیلسون است.

تنها شناخت ساختار چشم‌های میگوآخوندک، یا ژن‌های فعال در آن‌ها، یا سیگنال‌های عصبی که به مغز می‌فرستند، کافی نیست. در نهایت، برای درک این که چرا این گونه‌اند، باید بدانیم چگونه مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای ارتباط برقرار کردن باهم؟ برای شکار سریع طعمه؟ برای دیدن بهتر رنگ‌های صخره‌های مرجانی؟ واقعیت نهایی چشم حیوانات این است: ما تنها وقتی می‌توانیم تکامل آنها را درک کنیم که بتوانیم دنیا را از چشمان آنها ببینیم.