اجداد سایکلاپس؛ داستان تکامل چشم‌های ما با یک چشم شروع شد

خلاصه مقاله:

• چشم‌های امروزی مهره‌داران از یک چشم ساده در بالای سر اجداد بی‌مهره حدود ۵۶۰ میلیون سال پیش تکامل یافته‌اند. آن چشم اولیه فقط نور را تشخیص می‌داد و به حیوانات کمک می‌کرد موقعیت خود را حفظ کنند و از خطر اجتناب کنند.
• با گذر زمان و مهاجرت چشم‌ها به کنار سر، اتصال بین سلول‌های حساس به نور بهبود یافت و بینایی واضح‌تر شد. اجداد پالیده‌خوار ما کم‌کم به ماهی‌های کوچک با مغز و دهان تبدیل شدند که می‌توانستند شکار کنند و محیط خود را بهتر بشناسند.
• فسیل‌های حدود ۵۱۸ میلیون ساله نشان می‌دهد برخی مهره‌داران اولیه چهار چشم داشته‌اند تا میدان دید گسترده‌تری داشته باشند. با گذر زمان، چشم‌های اضافی از بین رفتند، اما بافت حساس به نور بالای سر که امروزه غده پینه‌آل نام دارد، در موجودات زنده باقی ماند.

چشم موجودات مهره‌دار آنقدر پیچیده و دقیق است که داروین در زمان ابداع نظریه تکامل خود گفته بود: «چشم هنوز هم مرا به وحشت می‌اندازد.» تحقیقات جدید نشان می‌دهد این مسیر تکاملی از یک بی‌مهره تک‌چشمی، موجودی شبیه سایکلاپس (غول تک‌چشم) آغاز شده است که ۵۶۰ میلیون سال پیش روی سرش یک چشم داشته و بعدها این چشم به دو چشم تقسیم شده است.

نگاهی به هر مهره‌داری بیندازید؛ تقریباً همیشه دو چشم در جلو می‌بینید که به شما نگاه می‌کنند. شاهین‌هایی که در آسمان پرواز می‌کنند، درست مانند کوسه‌های کله‌چکشی در اقیانوس دو چشم دارند.

دانشمندان مدت‌ها درباره چگونگی تکامل چشم مهره‌داران کنجکاو بوده‌اند. مطالعات جدید نشان می‌دهد که اجداد بی‌مهره ما ۵۶۰ میلیون سال پیش یک چشم روی سر خود داشته‌اند و این چشم بعدها به دو چشم تقسیم شده است.

داروین در زمان خود از پیچیدگی چشم شگفت‌زده بود. او می‌دانست که چشم از اجزای مختلفی مانند عدسی و شبکیه تشکیل شده و تکامل آن از طریق تغییرات کوچک در نسل‌ها اتفاق افتاده است، اما نمی‌توانست ترتیب دقیق این تغییرات را توضیح دهد. بااین‌حال، تنوع چشم‌های ساده در بی‌مهرگان او را امیدوار می‌کرد؛ برخی از آن‌ها فقط لکه‌های رنگی بودند که نور را تشخیص می‌دادند و برخی دیگر فنجانک‌های ساده بدون عدسی بودند. داروین درمورد پیچیدگی چشم‌ها نوشت: عقل من می‌گوید لازم نیست از پیچیدگی چشم‌های مهره‌داران امروزی وحشت کنم، چون این پیچیدگی نتیجه تغییرات کوچک و طولانی در نسل‌هاست و نه چیزی معجزه‌آسا که ناگهان ظاهر شده باشد.

بااین‌حال، مخالفان تکامل همچنان می‌گفتند که چشم نمی‌تواند به این شکل تکامل یابد و حتی در دهه ۱۹۹۰، طرفداران آفرینش‌گرایی ادعا می‌کردند که انتخاب طبیعی به میلیاردها سال زمان نیاز دارد تا یک چشم کامل ایجاد کند، یعنی زمانی بسیار بیشتر از عمر حیات روی زمین.

در سال ۱۹۹۴، نیلسون و همکارش سوزان پلگر از همان دانشگاه به این نتیجه رسیدند که یک چشم تصویری (چشمی که بتواند تصویر بسازد و چیزها را واضح ببیند، نه فقط نور یا تاریکی را تشخیص دهد) می‌تواند تنها درطول چند صدهزار سال تکامل پیدا کند. نیلسون گفت: «این محاسبه دقیق نیست، اما نشان می‌دهد زمان کافی برای تکامل چشم وجود دارد.»

مدل پژوهشگران تنها شکل چشم‌ها را بررسی می‌کرد و هنوز بسیاری تغییرات دیگر اتفاق نیفتاده بود. برای مثال، پروتئین‌های جدید باید پدید می‌آمدند تا بتوانند نور را در عدسی خم کنند و پروتئین‌های دیگر نور را در شبکیه جذب کنند. در آن زمان دانشمندان اطلاعات کافی درباره این جزئیات نداشتند، اما سه دهه بعد، داده‌های مولکولی بسیار قوی در دسترس است که می‌تواند به درک این تکامل کمک کند.

نیلسون و دیگر متخصصان بینایی با هم همکاری کردند تا فرضیه‌ای درباره تکامل چشم مهره‌داران ارائه دهند. تام بادن ، عصب‌شناس دانشگاه ساسکس که با نیلسون همکاری داشت، گفت: «وقتی تمام شواهد را در ذهن بررسی می‌کنید، ناگهان همه چیز روشن می‌شود.» این گروه سناریوی تفصیلی تکامل چشم مهره‌داران را در مقاله‌ای شگفت‌انگیز در ژورنال Current Biology منتشر کرده‌اند.

براساس سناریوی پژوهشگران، حدود ۵۶۰ میلیون سال پیش، اجداد بی‌مهره ما بیشتر در بستر اقیانوس زندگی می‌کردند و سرهای بی‌مغزشان را بیرون می‌آوردند تا ذرات غذا را از آب فیلتر کنند. نیلسون و همکارانش پیشنهاد می‌کنند که این پیش‌مهره‌داران توده سلولی حساس به نوری در بالای سر داشتند که چرخه روز و شب را دنبال و به آن‌ها کمک می‌کرد سرشان را به اندازه کافی بالا نگه دارند تا غذا بخورند و شکار نشوند.

برخی از نسل‌های آن موجودات تک‌چشم از بستر خود بیرون آمدند و شروع به شنا کردند. آن‌ها هنوز موجودات ساده‌ای با مغز کوچک بودند و غذا را از آب می‌گرفتند، اما حالا به اطلاعات بیشتری درباره محیط نیاز داشتند. چشم تنهای آن‌ها پیچیده‌تر شد و گودال‌هایی شکل گرفت که حساس به جهت نور بودند. سلول‌های حساس به نور بسته به موقعیتشان روی گودال فعال می‌شدند. نیلسون و همکارانش معتقدند آن ساختارها نمونه‌های ابتدایی شبکیه چشم ما بودند.

آگاهی از جهت نور به آن‌ها کمک می‌کرد تا در آب حرکت کنند و پایدار بمانند. به گفته نیلسون: «وقتی چشم یا سلول‌های حساس به نور بخشی از محیط را تاریک‌تر و بخش دیگری را روشن‌تر می‌بینند، مغز می‌تواند بفهمد که بدن یا سر شما به سمت یک طرف خم شده یا کج است.»

میلیون‌ها سال بعد، اجداد پالیده‌خوار ما به ماهی‌های کوچک با مغز و دهان تبدیل شدند و می‌توانستند حیوانات زنده را شکار کنند. نیلسون معتقد است این تحول بدون تغییر بیشتر در چشم‌ها ممکن نبود. آن‌ها باید به دو طرف سر منتقل می‌شدند تا دید بهتر و تیزتری ایجاد شود و ارتباطات بین سلول‌های حساس به نور نیز تغییر کرد.

حالا ماهی‌های اولیه می‌توانستند جریان محیط خود را حس کنند و موانع را دور بزنند. بااین‌حال، چشم اولیه روی سر آن‌ها هنوز باقی مانده بود و اطلاعات پایه‌ای مانند سطح نور کلی را منتقل می‌کرد. امروزه ماهی‌ها هنوز توده سلول حساس به نور بالای سرشان دارند که به آن غده صنوبری گفته می‌شود.

اما مطالعات جدید فسیل‌ها نشان می‌دهد مسیر تکامل چشم‌ها ممکن است پیچیدگی‌های غیرمنتظره‌ای داشته باشد. دیرینه‌شناسان در چین و انگلستان فسیل‌های مهره‌داران اولیه به قدمت ۵۱۸ میلیون سال را بررسی کرده‌اند. این فسیل‌ها نشان می‌دهند چشم‌هایی در دو طرف سر وجود داشته و همچنین یک جفت چشم دیگر بالای سر بوده است.

ژاکوب وینتر، دیرینه‌شناس دانشگاه بریستول، فرض کرد که این چهار چشم به حیوانات کوچک کمک می‌کرد تا میدان دید گسترده‌تری داشته باشند و از شکارچیان بزرگ در امان بمانند.

آزمایش‌های آینده می‌تواند جزئیات بیشتری درباره تکامل چشم در نیم‌میلیارد سال گذشته نشان دهد، اما نیلسون می‌گوید که اگر یک ماشین زمان داشت، فقط یک ساعت به ۶۰۰ میلیون سال پیش برمی‌گشت تا ببیند این حیوانات واقعاً چه نوع چشمی داشتند.