تکامل چشم

تکامل چشم به عنوان یکی از موضوعات قابل توجه برای مطالعه، یکی از مثال‌های ممتاز از اندام‌های هم‌ساختار درتعدادخیلی زیادی از گونه‌های متفاوت است. شاخص‌هایی از چشم مانند رنگدانه‌ها نشان می‌دهد که جزء اولین خروجی‌های تکامل چشم قبل از انشعاب حیوانات بوده‌است. اگرچه، چشم‌های پیچیده کنونی، ۵۰ تا ۱۰۰بار بیشتر با پروتئین‌ها و ساختارهای ژنتیکی یکسانتکامل یافته‌اند.
چشمهای پیچیده میلیون‌ها سال پیش در دوره‌ای به نام انفجار کامبرین تکامل یافته‌اند. هیچ شاهدی دال بر وجود چشم‌ها قبل از این مرحله وجود ندارد، اما طیف وسیعی از تنوع در کمبرین میانی «بورگس شیل» مشهود است. طیف وسیعی از سازگاری در چشم جهت تأمین نیازهای موجود زنده‌ای که حامل آن است به وجود آمده‌است. توانایی چشم‌ها در میزان تیزبینی، دامنه طول موج‌هایی که می‌توانند دریافت کنند، حساسیتشان در نور کم، کشف حرکت‌ها یا تشخیص اشیا و تعیین رنگ‌ها تغییر کرده‌است.

تاریخچه پژوهش

ساختار پیچیده چشم به عنوان شاهدی برای حمایت از نظریه خلقت استفاده می‌شود، که این نظریه در مقابل نظریه تکامل است که بیان می‌کند موجودات به وسیله انتخاب طبیعی تکامل یافته‌اند. در سال ۱۸۰۲ فیلسوفی به نام ویلیام پیلی خلقت چشم را معجزه طراحی نامید. خود چارلز داروین در کتاب منشأ گونه‌ها بیان داشته که تکامل چشم به وسیله انتخاب طبیعی در نگاه اول به نظراحمقانه و پوچ می‌آید اما شرح می‌دهد که بر خلاف سختی که در تصور کردنش وجود دارد، این نظریه کاملاً درست است:
... چون حصول چشم به‌طور حتم با مداخله انتخاب طبیعی روی داده، عقل حکم می‌کند که می‌توان تمام درجات تکامل بینابینی را از چشم ساده غیر کامل گرفته تا چشم پیچیده کامل کشف و برملا کرد، البته هریک از درجات بینابینی برای صاحبش امتیازی در برخواهد داشت. علاوه بر این اگر تغییر چشم آهسته و پیوسته روی نداده باشد و تغییرات صرفاً ناگهانی و ارثی باشد که ارثی بودنش در محل خود صحیح هم هست، در شرایط متحول حیات، این تغییرات بایستی به حال موجود زنده مفید بوده باشد، پس حصول چشمی بهبود یافته و کامل به یاری انتخاب طبیعی، هر چند در عالم تصور غیرممکن می‌نماید، در واقع اشکال جدی ندارد.
داروین یک رده‌بندی از ساده‌ترین اندامی که می‌توان آن را چشم نامید که عبارت است از «عصب بینایی که به وسیله سلولهای حاوی رنگدانه احاطه شده و توسط غشاء شفافی دربرگرفته شده‌است و از عدسی یا هر مکانیسم دیگری خبری نیست» تا مراحل میانی کمال را با دادن مثال‌هایی از طبقه میانی تکامل پیشنهاد می‌کند. خیلی زود مشخص شد که پیشنهاد داروین درست بوده و تحقیقات کنونی، مکانیسم‌های ژنتیکی درگیر در تکامل چشم را بررسی می‌کند.

سرعت تکامل

نخستین سنگواره‌های یافت شده از چشم مربوط به اوایل دوره کامبرین می‌باشد (۵۴۰ میلیون سال پیش). این دوره، دوره انفجار تکامل است و انفجار کامبرین نام گرفته‌است. یکی از نظریه‌های موجود در مورد علت این تنوع تئوری «کلید نور» اندرو پارکر است که بیان می‌کند تکامل چشم زمینه رقابت برای برتری جویی را ایجاد کرد که این باعث تسریع در روند تکامل شد. تا قبل از این، موجوات زنده از قابلیت حساسیت به نور استفاده می‌کردند ولی نه برای حرکت سریع یا هدایت به وسیله دید.
از آنجا که بایگانی فسیل‌ها به ویژه از دورهٔ کمبرین اولیه ناچیز است، تخمین سرعت تکامل چشم کار سختی است. یک مدل ساده با قرار دادن جهش‌های کوچک در معرض انتخاب طبیعی نشان می‌دهد که اندام بینایی اولیه که بر اساس بهره‌وری رنگدانه‌های نوری کار می‌کردند می‌توانستند به چشم پیچیده مانند چشم انسان طی ۴۰۰۰۰۰ سال تکامل پیدا کرده باشند.

تک‌منشائی یا چندمنشائی

این که فرض کنیم چشم در یک مرحله تکامل یافته یا در چندین مرحله بستگی به تعریف ما از چشم دارد. بسیاری از مکانیسم‌های ژنتیکی که در تکامل چشم درگیر هستند در تمام موجودات زنده مشترکند که این امر اشاره دارد به اینکه جدشان از یک سری مکانیسمهای حساس به نور استفاده می‌کرده – حتی اگر عضو اختصاص یافته‌ای برای بینایی نداشته باشند. اگرچه، حتی ممکن است سلول‌های گیرنده نور در بیشتر از یک مرحله از مولکول‌های شبیه به گیرنده‌های شیمیایی تکامل یافته باشندو سلول‌های حساس به نور خیلی قبل تر از انفجار کامبرین به وجود آمده باشند. شباهت‌های سطح بالا مانند کریستال‌های پروتئین استفاده شده در لنزهای سرپایان و مهره داران ارتقا پروتئین را از یک عنصر بنیادین به عنصری با نقشی جدید در داخل چشم نشان می‌دهد.
پروتئین‌های مشترک در اندام‌های حساس به نور، شامل پروتئین‌های دریافت‌کننده نور، پروتئین‌های آپسین نام دارند. تمام هفت زیر خانواده آپسین‌ها در آخرین جد مشترک حیوانات وجود داشتند. بعلاوه ساختارهای ژنتیکی برای استقرار چشم هم در تمام حیوانات مشترکند. ژن PAX6 محلی که چشم در آن توسعه می‌یابد از چشم موش تا چشم انسان و چشم مگس سرکه را کنترل می‌کند. ضمناً این ژن‌های سطح بالااز بسیاری از ساختارهای کنترل‌کننده، قدیمی ترند، چرا که قبل از شکل‌گیری چشم نقش‌های دیگری داشته‌اند.
احتمالاً اندام‌های حسگر قبل از مغز تکامل پیدا کرده‌اند، چون اصلاً اطلاعاتی وجود نداشته که نیاز به پردازشگراطلاعات داشته باشد.

مراحل تکامل چشم

شکل‌های ابتدایی چشم - پروتئین‌های حساس به نوری که نور را دریافت می‌کردند- لک‌های چشمی نام دارند. لک‌های چشمی فقط می‌توانند نورهای احاطه‌کننده را درک کنند: آن‌ها می‌توانند روشنایی را از تاریکی متمایز کنند، که همین برای تشخیص دوره نوری و تنظیم روزانه ساعت زیستی کافی است. آن‌ها برای دیدن مناسب نیستند، چون نمی‌توانند شکل‌ها را تمایز و جهت تابش نور را تشخیص دهند. لک‌های چشمی تقریباً در عمدهٔ گروه‌های حیوانی یافت می‌شود و در موجودات تک سلولی از جمله جنس اوگلینا -از آغازیان تاژک دار تک سلولی - نیز عمومیت دارند. لک چشمی در اوگلینا "استیگما (خال) " نامیده می‌شود که در انتهای بخش داخلی استقرار یافته‌است. استیگما یک لکه کوچک با رنگدانه قرمز است که مجموعه ای از کریستال‌های حساس نوری را دربر می‌گیرد که باهم به کمک تاژک‌های هدایت کننده، لک چشمی از طریق عکس‌العمل به نور به موجود زنده امکان حرکت می‌دهد که اغلب، حرکت به سمت نورفوتوسنتزی و تشخیص روز و شب می‌باشد که این عملکرد اولیهٔ پدیده ساعت زیستی است. در موجودات پیچیده‌تر، رنگدانه‌های بصری در مغز قرار دارند که تصور می‌شود در تنظیم زمان تولیدمثل بر اساس چرخه ماه ایفای نقش کنند. با پیگیری دقیق تغییرات در روشنایی شبانه، موجودات زنده می‌توانند زمان تولید اسپرم و تخمک را برای افزایش احتمال لقاح بیشتر تنظیم کنند.
«دیدن»، خود، به بیوشیمی بنیادین که در تمام چشم‌ها مشترک است بستگی دارد؛ اما چگونه این ساختار بیوشیمی که در تفسیر محیط موجود زنده استفاده می‌شود به صورت وسیع تغییر می‌کند: چشم‌ها ساختارها و شکل‌های مختلفی دارند که همگی نسبتاً دیرتر از پروتئین‌ها و مولکول‌های تشکیل دهنده تکامل یافته‌اند. در سطح سلولی دو طرح اصلی چشم وجود دارد، یکی شامل نخست دهانیان (نرم تنان ،کرم‌های حلقوی وبندپایان) و دیگری شامل دهان‌دومیان(طنابداران وخارپوستان).
گیرنده‌ها، واحد عملکردی چشم هستند که شامل پروتئین‌های اسپین هستند و با تکانه‌های عصبی نسبت به نور عکس‌العمل نشان می‌دهند. این اسپین‌های حساس به نور برای افزایش سطح، روی یک لایهٔ مویی قرار دارند. طبیعت این موها متفاوت بوده که شامل دو ساختار گیرنده نور می‌باشند: میکروویلوس و سیلیا(مژک). در نخست دهانیان میکروویلوس‌ها حضور دارند: توسعه و برآمده کردن غشای سلولی. ولی در دوم دهانیان این موها از مژک‌ها مشتق شده‌اند که ساختارهای مجزایی دارند. اشتقاق واقعی ممکن است پیچیده‌تر باشد، به طوری که بعضی از میکروویلوس‌ها دارای مژک هم باشند، اما مشاهدات دیگر تفاوت‌های بنیادینی بین نخست‌دهانیان و دهان‌دومیان نشان می‌دهند. این فرضیات روی عکس‌العمل سلول نسبت نور متمرکز هستند. بعضی برای ایجاد تکانه‌های عصبی از سدیم که باعث تولید سیگنال‌های الکتریکی می‌شود، استفاده می‌کنند و بقیه از پتاسیم. نخست‌دهانیان برای ایجاد تکانه‌های عصبی از سدیم بیشتری استفاده می‌کنند، در حالی که دهان‌دومیان از مقدار کمتری سدیم بهره می‌برند.
حدس زده می‌شود که وقتی این دو گروه در پرکامبرین (قبل از دوره کامبرین) از هم جدا شدند دارای گیرنده‌های نوری ابتدایی بودند و بعداً هر کدام به‌طور مستقل به سمت چشم‌های پیچیده‌تر توسعه پیدا کردند.