داستان تکامل چشم‌ها؛ دیدن جهان چه زمانی امکان‌پذیر شد؟

چشم‌ها در یک چشم برهم زدن تکاملی ظاهر شدند و قوانین زندگی را برای همیشه تغییر دادند. قبل از چشم‌ها، زندگی آرام‌تر بود و موجودات کُندی وجود داشتند که در دریا پرسه می‌زدند. پیدایش چشم‌ها جهان را به محیطی بی‌رحمانه‌تر و رقابتی‌تر تبدیل کرد. بینایی این امکان را برای حیوانات فراهم کرد که به شکارچیان فعال تبدیل شوند و رقابت تسلیحاتی تکاملی را به راه انداخت که سیاره را دگرگون کرد.

اولین شکل بینایی در موجودات تک سلولی ظاهر شد. این سیستم که دارای پروتئین‌های گیرنده نوری است که فقط می‌تواند نور را از تاریکی تشخیص دهد، رایج‌ترین چشم‌ها در موجودات امروزی است.

برای درک نحوه تکامل چشم‌ها، باید اول درمورد عملکرد آن‌ها بدانید. چشم‌های شما مانند دوربین‌های کوچکی عمل می‌کنند که درون سر شما نصب شده‌اند و نوری را که مغز برای ایجاد تصاویر به آن نیاز دارد، می‌گیرند. قسمت‌هایی از چشم که وقتی در آینه نگاه می‌کنید، می‌توانید ببینید صُلبیه، قرنیه، عنبیه و مردمک است. درون آن عدسی، شبکیه و بافت ژله‌مانندی به نام زجاجیه قرار دارد. همه این اجزا با هم در ساختاری قرار می‌گیرند که تقریباً به اندازه یک توپ پینگ‌پنگ است.

صلبیه بخش سفید چشم است که پوشیده از عروق خونی کوچک است و از ماده سختی تشکیل شده است که از اجزای ظریف داخلی محافظت می‌کند. قرنیه گنبدی از بافت شفاف روی کره خارجی چشم است که مانند پنجره‌ای عمل می‌کند که به شما این امکان را می‌دهد که دنیای بیرون را ببینید، درحالی‌که از ساختارهای درونی نیز محافظت می‌کند.

زیر قرنیه، عنبیه قرار دارد که قسمت رنگی چشم است. عنبیه غشایی انعطاف‌پذیر و حلقوی است که می‌تواند برای کنترل میزان نوری که وارد چشم می‌شود، منقبض و منبسط شود. دایره سیاه وسط عنبیه مردمک چشم است که درحالی‌که ممکن است جامد به نظر برسد، درواقع سوراخی است که به نور اجازه می‌دهد وارد چشم درونی شود.

آن سوی مردمک، عدسی، شبکیه و زجاجیه وجود دارد. عدسی درست پشت مردمک قرار دارد و به تمرکز نور در هنگام عبور از مردمک کمک می‌کند. نوری که وارد چشم می‌شود، از زجاجیه عبور می‌کند و درنهایت به شبکیه می‌رسد که نوع خاصی از بافت است که میلیون‌ها سلول حساس به نور در آن تعبیه شده است.

شبکیه لایه‌ای از بافت عصبی است که پشت چشم قرار دارد و نسبت به نور حساس است. وقتی نور به آن برخورد می‌کند، سلول‌های تخصصی به نام گیرنده‌های نوری انرژی نور را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و آن‌ها را به مغز می‌فرستند. سپس مغز این سیگنال‌های الکتریکی را به تصاویر پردازش می‌کند و بینایی را ایجاد می‌کند.

دو نوع اصلی چشم بین گونه‌ها غالب هستند. با وجود داشتن اشکال مختلف یا بخش‌های تخصصی، بهبود بینایی در هر دو نوع چشم محصول تغییرات کوچک و تدریجی است که فیزیک نور را بهینه می‌کند.

چشم‌های ساده در واقع بسیار پیچیده هستند، اما علت نام‌گذاری آن‌ها این است که از یک واحد تشکیل شده‌اند. برخی از نرم‌تنان و همه مهره‌داران پیشرفته‌تر مانند پرندگان، خزندگان یا انسان‌ها چشم ساده دارند.

چشم‌های ساده از یک فنجان رنگدانه تکامل پیدا کرده‌اند که در طول زمان به تدریج به سمت داخل تاخورده است تا به شکلی که امروزه می‌بینیم، درآید. ساختارهای تخصصی مانند عدسی، قرنیه و مردک برای کمک به بهبود تمرکز نور روی شبکیه ایجاد شدند. این ساختارها به ایجاد تصاویر واضح‌تر برای پردازش مغز کمک می‌کنند.

چشم‌های مرکب از تکرار همان واحدهای اولیه گیرنده‌های نوری به نام اوماتیدی تشکیل می‌شوند. هر اوماتیدیوم شبیه چشم ساده‌ای است که از عدسی و گیرنده‌های نوری تشکیل شده است. اوماتیدیوم‌ها در کنار هم الگوی هندسی کروی را تشکیل می‌دهد که معمولاً در حشرات و سخت‌پوستان دیده می‌شود.

درک ما از تکامل چشم مرکب کمی مبهم است، اما می‌دانیم اوماتیدیوم‌های اولیه به ساختارهای بزرگتر و گروه‌بندی‌شده تکامل پیدا کردند که جذب نور را به حداکثر می‌رساند.

در محیط‌هایی مانند غارها و اعماق اقیانوس که نور کمی وجود دارد یا اصلاً نوری وجود ندارد، چشم‌های مرکب برای تولید بینایی مفید هستند و باعث برتری نسبت به گونه‌های دیگر می‌شوند.

اولین چشم‌ها در حدود ۵۴۱ میلیون سال پیش (در آغاز دوره کامبرین که حیات چندسلولی پیچیده ظاهر شد) در گروهی از حیوانات منقرض‌شده به نام تریلوبیت‌ها ظاهر شد که کمی شبیه خَرخاکی‌های دریایی بزرگ بودند. چشم‌های آن‌ها شبیه چشم‌های حشرات امروزی از نوع مرکب بود.

از زمانی که ویلیام پیلی تمثیل ساعت‌ساز را در سال ۱۸۰۲ ارائه کرد که ادعا می‌کند چیزی به پیچیدگی ساعت باید سازنده‌ای داشته باشد، خلقت‌گرایان از پیچیدگی چشم‌ها برای طرح «برهان نظم» استفاده کردند. آن‌ها می‌گویند چشم‌ها چنان پیچیده هستند که ممکن نیست ازطریق انتخاب طبیعی و تجمع جهش‌های تصادفی تکامل پیدا کرده باشند.

چارلز داروین که از استدلال خلقت‌گرایان ‌به‌خوبی آگاه بود، در کتاب منشأ گونه‌ها اذعان کرد چشم‌ها چنان پیچیده هستند که در نگاه اول، تکامل آن‌ها ازطریق انتخاب طبیعی احمقانه و پوچ به‌نظر می‌رسد. اما او به‌طور قانع‌کننده‌ای استدلال کرد که این ظاهر قضیه است. بنا به استدلال داروین، چشم‌های پیچیده می‌توانستند با انتخاب طبیعی از چشم‌های ساده به وجود آیند و کلید این معما پیدا کردن چشم‌هایی با پیچیدگی متوسط در سلسله حیوانات بود که نشانگر مسیر حرکت از ساده به پیچیده باشد. آن اشکال میانی اکنون پیدا شده‌اند.

اولین قدم، تکامل سلول‌های حساس به نور است که موضوع پیچیده‌ای نیست. بسیاری از موجودات تک‌سلولی دارای لکه‌های شبیه چشم اولیه هستند که از رنگدانه‌های حساس به نور تشکیل شده‌اند. برخی حتی می‌توانند به سمت نور یا خلاف جهت آن شنا کنند. چنین توانایی‌های ابتدایی حس‌کننده نور مزیت بقای آشکاری را به همراه دارد.

ارگان‌های بینایی ابتدایی همچنان توسط عروس‌های دریایی و کرم‌های پهن و دیگر گروه‌هایی ابتدایی استفاده می‌شود و به وضوح بهتر از هیچ است.

ساده‌ترین موجودات دارای لکه‌های حساس به نور جانوران سرده هیدرا هستند که در آب شیرین‌های شیرین زندگی می‌کنند. آن‌ها چشم ندارند اما وقتی در معرض نور شدید قرار می‌گیرند، به شکل توپ منقبض می‌شوند. هیدراها از منظر تکاملی جالب هستند، زیرا تجهیزات اساسی حس‌کننده نور در آن‌ها بسیار شبیه تجهیزاتی است که در تبارهای تکاملی دیگر ازجمله پستانداران دیده می‌شود.

سیستم بینایی هیدراها مبتنی‌بر دو نوع پروتئین است: اپسین‌ها که وقتی نور به آن‌ها برخورد می‌کند، تغییر شکل می‌دهند و کانال‌های یونی که با تولید سیگنال الکتریکی به این تغییر شکل پاسخ می‌دهند. پژوهش‌های ژنتیکی نشان می‌دهد همه سیستم‌های اپسین‌/کانال یونی از جد مشترکی شبیه هیدراها تکامل پیدا کرده‌اند که به منشأ تکاملی واحد همه سیستم‌های بینایی اشاره دارد.

مرحله بعدی، ایجاد فرورفتگی کوچک حاوی سلول‌های حساس به نور است. این امر تشخیص جهت نور و بنابراین احساس حرکت را آسان‌تر می‌کند. هرچه فرورفتگی عمیق‌تر باشد، قدرت تشخیص بیشتر است. سپس می‌توان با باریک کردن دهانه گودال به‌طوری‌که نور از روزنه کوچکی مانند دوربین سوراخ‌سوزنی وارد شود، بهبود بیشتری انجام داد. با استفاده از این نوع تجهیزات، شبکیه چشم قادر به تجزیه تصاویر است که پیشرفت بزرگی در مدل‌های قبلی به حساب می‌آید. چشم‌های دوربین سوراخ سوزنی که فاقد عدسی و قرنیه هستند، امروزه در ملوانک‌ها (ناتیلوس) یافت می‌شوند.

آخرین تغییر بزرگ ایجاد عدسی است. این ساختار احتمالاً به شکل لایه محافظ پوست آغاز شد که روی دهانه رشد کرد ولی بعداً تکامل پیدا کرد و به ابزار نوری تبدیل شد که می‌توانست نور را روی شبکیه متمرکز کند. وقتی این اتفاق افتاد، کارآیی چشم‌ها به عنوان سیستم تصویربرداری از حدود یک درصد به ۱۰۰ درصد رسید.

چشم‌هایی از این نوع هنوز در جعبه زیان یافت می‌شود. جعبه زیان شکارچیان بسیار متحرک و زهرآگین دریایی شبیه عروس دریایی هستند. آن‌ها ۲۴ چشم دارند که در چهار گروه منظم شده‌اند؛ ۱۶ عدد گودال‌ حساس به نور هستند اما یک جفت چشم در هر خوشه پیچیده است و دارای عدسی، شبکیه، عنبیه و قرنیه است.

تریلوبیت‌ها مسیر کمی متفاوتی را طی کردند و چشم‌های مرکب با عدسی‌های متعدد را تکامل دادند. اما توالی اصلی رویدادها یکسان بود. اگرچه تریلوبیت‌ها اولین جانورانی بودند که به این اختراع دست پیدا کردند، تنها جانوران دارای این قابلیت نبودند. زیست‌شناسان بر این باورند که در بسیاری از موارد و شاید صدها مورد، چشم‌ها به‌طور مستقل تکامل پیدا کردند.

تکامل چشم‌ها تحول عظیمی را به دنبال داشت. در دنیای بدون بینایی اوایل کامبرین، بینایی به منزله ابرقدرت بود. تریلوبیت‌ها به اولین شکارچیان فعال تبدیل شدند که می‌توانستد به شکلی که قبلاً هیچ حیوانی توانایی آن را نداشت، طعمه را جست‌وجو و تعقیب کنند. در این شرایط، تعجبی ندارد که قربانیان آن‌ها درجهت مقابل تکامل پیدا کردند. تنها چند میلیون سال بعد چشم‌ها همه جا را فرا گرفت و حیوانات فعال‌تر و زره‌پوش شدند. این انفجار نوآوری تکاملی چیزی است که «انفجار کامبرین» معروف است.

بینایی در کل شاخه‌های حیوانات فراگیر نیست. از ۳۷ شاخه حیوانات چندسلولی، فقط ۶ شاخه آن را تکامل دادند. اما این ۶ شاخه ازجمله شاخه خود ما یعنی طنابداران و همچنین بندپایان و نرم‌تنان فراوان‌ترین، گسترده‌ترین و موفق‌ترین حیوانات روی زمین هستند.

وابستگی رو به رشد ما به فناوری و دستگاه‌های دیجیتال ممکن است موجب ظهور شکل چشم جدیدی شود. عضلات اطراف چشم کشیده می‌شوند تا وقتی به چیزی از نزدیک خیره می‌شوید، عدسی را جابه‌جا کنند. شکل گرد چشم در پاسخ به این کشیدگی عضلانی کشیده می‌شود.

زمان استفاده از صفحه نمایش با استفاده از تلفن‌های همراه، تبلت‌ها و کامپیوترها در طول سال‌ها به‌طور چشمگیری افزایش پیدا کرده است. مطالعات اخیر افزایش نزدیک‌بینی در کودکان و ناتوانی در دیدن دور را گزارش کرده‌اند.

سایر فرصت‌های تکاملی برای چشمان ما درحال‌حاضر چندان آشکار نیست. باید دید که آیا درمان‌های اصلاحی پیشرفته مانند پیوند قرنیه یا پروتزهای بینایی تأثیر تکاملی طولانی‌مدتی بر چشم انسان خواهند گذاشت.