Evolucija oči: izvor, večkratni razvoj in prilagoditve vida
Evolucija oči: od prvih vidnih pigmentov do večkratnega razvoja kompleksnih očesnih sistemov — odkrijte izvor, kambrijski preboj in prilagoditve vida.
Evolucija očesa je klasičen primer homolognega organa, prisotnega pri številnih taksonih. V jedru te homolognosti so nekatere osnovne sestavine vida, kot so vidni pigmenti in osnovne vrste fotoreceptorjev, ki kažejo na skupne evolucijske korenine.
Zdi se, da imajo nekatere sestavine očesa, kot so vidni pigmenti, skupne prednike — to pomeni, da so se razvile enkrat, preden so se živali razširile. Še posebej pomembni so opsini (fotopigmenti) in osnovni razvojni geni, ki so se zgodaj pojavili v evoluciji življenja in so bili nato v različnih skupinah preoblikovani za lokalne potrebe.
Večkratni razvoj kompleksnih oči
Kljub skupnim gradnikom so se zapletene oči, zmožne tvoriti slike, razvile neodvisno mnogokrat. Ocenjuje se, da so se kompleksne izoblikovale približno 50–100-krat neodvisno v različnih evolucijskih linijah. Pri teh neodvisnih dogodkih so pogosto uporabljeni isti beljakovinski in genetski elementi, vendar so končne strukture (npr. leča pri vretenčarjih, ommatidiji pri členonožcih ali zrcalne oči pri nekaterih glavonožcih) različne in prilagojene različnim funkcijam.
Kambrijska eksplozija in hitro nastajanje kompleksnosti
Zdi se, da so se kompleksne oči prvič pojavile v razmeroma kratkem geološkem obdobju med tako imenovano kambrijsko eksplozijo, pred približno 540 milijoni let. Pred tem obstajajo malo neposrednih fosilnih dokazov očesnih struktur, medtem ko srednjekambrijski skrilavec Burgess prikazuje veliko raznolikost oblik življenja, vključno z živimi bitji, ki so verjetno imela razvite organe za vid.
Stopnje razvoja očesa
- Preprosta svetlobna občutljiva celica (fotoreceptor) — zaznava svetlobo in temo.
- Skupina fotoreceptorjev ali ploščica — omogoča razlikovanje smeri svetlobe.
- Jamica ali jamasto oko (pit eye) — izboljšana orientacija virov svetlobe in osnovno zaznavanje oblik.
- Pinhole (luknjasto) oko — omogoča osnovno ostrino brez leče.
- Oko z lečo ali kompleksni ommatidialni sistemi — ustvarijo ostre slike, specializirane za različne naloge (visoka ločljivost, široko vidno polje, zaznavanje gibanja itd.).
Genetsko orodje in molekularne prilagoditve
Mnoge komponente so nastale z uporabo istega evolucijskega "orodja": Pax6 in sorodni razvojni geni so ključni pri začetni oblikovanju oči v zelo različnih živalih. Za lečo in druge strukture so pogosto bile ponovno uporabljene beljakovine, kot so kristalini, ki so izvirale iz povsem drugih proteinov in so bili prirejeni za optične naloge. Opsini so se zgodaj razcepili v različne tipe, kar omogoča zaznavanje različnih valovnih dolžin — osnova za razlikovanja barv.
Prilagoditve vida
Oči so bile v evoluciji močno prilagojene različnim potrebam organizmov. Te prilagoditve vključujejo:
- Ostrina vida: specializacije, kot je fova pri vretenčarjih, povečajo ločljivost na majhnem delu mrežnice.
- Razpon zaznavnih valovnih dolžin: nekatere vrste zaznavajo ultravijolično (UV), druge infrardečo ali zelo ozko spektralno območje.
- Občutljivost v šibki svetlobi: npr. več fotoreceptorjev (rodov) ali optične konstrukcije, ki usmerjajo svetlobo.
- Zaznavanje gibanja: hitre adaptacije fotoreceptorjev in posebne mrežne konfiguracije v vidnem sistemu.
- Barvno razlikovanje: prisotnost več tipov opsinov omogoča zaznavanje barv in kompleksnih vizualnih signalov.
- Polarisacijski vid in orientacija: pri nekaterih žuželk in ribah pomaga pri navigaciji in iskrenju plena ali partnerjev.
Okoljski in vedenjski dejavniki
Razvoj oči poganja kombinacija selekcijskih sil: plenilsko-obrambne interakcije, iskanje hrane, navigacija v prostoru, komunikacija med posamezniki (npr. izbor partnerjev) in življenjski habitat (voda, kopno, nočno/nočno življenje). Te zahteve so vplivale tako na temeljno zasnovo oči kot na njihove podrobne prilagoditve.
Skupaj to pomeni, da je evolucija vida rezultat tako skupnih molekularnih predpostavk kot tudi številnih neodvisnih eksperimentalnih rešitev — zato imamo v naravi tako raznolikost očesnih konstrukcij in funkcij.
Kopenski polži imajo na glavi običajno dva sklopa tipal: zgornji par ima na koncu oko, spodnji par pa je namenjen za vohanje.
Ta bogomoljka ima zamaskirane oči
Skakajoči pajek. Pajki imajo več oči.
Glavne faze v razvoju očesa.
Oko mehkužca: kraljica školjk.
Hitrost razvoja
Prvi fosili oči so se pojavili v obdobju spodnjega kambrija, pred približno 540 milijoni let. V tem obdobju je prišlo do izbruha očitno hitre evolucije, imenovane "kambrijska eksplozija". Eden od biologov meni, da se je z razvojem oči začela tekma v oboroževanju, ki je privedla do hitrega razvoja.
Že prej so organizmi morda uporabljali svetlobno občutljivost, ne pa tudi hitrega gibanja in navigacije s pomočjo vida.
Hitrost razvoja oči je težko oceniti. Enostavno modeliranje, ki predvideva majhne mutacije, izpostavljene naravni selekciji, kaže, da bi se lahko primitivni optični čutni organ, ki temelji na učinkovitih fotopigmentih, razvil v kompleksno človeku podobno oko v približno 400 000 letih.
Zgodnje faze razvoja oči
Prvi svetlobni senzorji so bili fotoreceptorski proteini. To so očesne pege, ki jih najdemo pri protistih. Očesne pege lahko razlikujejo le med svetlobo in temo. To zadostuje za fotoperiodizem in dnevno sinhronizacijo cirkadianih ritmov. Ne morejo razlikovati oblik ali določiti smeri, iz katere prihaja svetloba.
Očesne pege najdemo pri skoraj vseh večjih živalskih skupinah. Euglenova' očesna pega, imenovana stigma, je spredaj. Njen rdeči pigment odstira zbirko kristalov, občutljivih na svetlobo. Skupaj z vodilnim bičkom omogoča očesna pegica, da se organizem premika glede na svetlobo, kar pomaga pri fotosintezi in napovedovanju dneva in noči, kar je glavna funkcija cirkadianih ritmov.
Vidni pigmenti se nahajajo v možganih bolj zapletenih organizmov in naj bi imeli vlogo pri sinhronizaciji drstenja z luninimi cikli. Z zaznavanjem subtilnih sprememb v nočni osvetlitvi bi lahko organizmi sinhronizirali sproščanje sperme in jajčec, da bi povečali verjetnost oploditve.
Sam vid temelji na osnovni biokemiji, ki je skupna vsem očem. Način uporabe tega biokemičnega orodja za interpretacijo okolja organizma je zelo različen. Oči imajo široko paleto struktur in oblik, ki so se vse razvile precej pozno glede na osnovne beljakovine in molekule.
Na celični ravni se zdi, da obstajata dve glavni "zasnovi" oči: eno imajo protostomi (mehkužci, annelidni črvi in členonožci), drugo pa deuterostomi (hordati in iglokožci).
V stigmi (2) evglene se skriva točka, občutljiva na svetlobo.
Sorodne strani
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je primer homolognega organa?
O: Razvoj očesa je primer homolognega organa, ki ga imajo številne živali.
V: Kaj počne opsin?
O: Opsini nadzorujejo pretvorbo fotonov v električne signale.
V: Kdaj so se razvile kompleksne oči?
O: Zdi se, da so se kompleksne oči prvič razvile pred nekaj milijoni let, v hitrem izbruhu evolucije, znanem kot kambrijska eksplozija.
V: Ali obstajajo dokazi o obstoju oči pred kambrskim obdobjem?
O: Pred kambrejem ni dokazov o prisotnosti oči, vendar je veliko oči mogoče videti v fosilih iz srednjekambrijskega Burgessovega skrilavca.
V: Kako se oči razlikujejo med organizmi?
O: Oči se razlikujejo po ostrini (natančnosti vida), občutljivosti pri šibki svetlobi in sposobnosti zaznavanja gibanja ali prepoznavanja predmetov. Od njihove občutljivosti na valovne dolžine je odvisno, ali lahko vidijo barve in katere barve lahko vidijo.
V: Kakšno vlogo ima melanopsin?
O: Melanopsin, opsin, ki ga najdemo v mrežnicah sesalcev, je vključen v cirkadiane ritme in refleks zenice, ne pa tudi v vid.
V: Kateri dogodek označuje, kdaj so se začele razvijati kompleksne oči?
O: Kompleksne oči so se začele razvijati med hitrim razmahom evolucije, znanim kot kambrijska eksplozija.
Iskati