The human eye is an amazing mechanism, able to detect anywhere from a few photons to direct sunlight, or switch focus from the screen in front of you to the distant horizon in a third of a second. In fact, the structures required for such incredible flexibility were once considered so complex that Charles Darwin himself acknowledged that the idea of there having evolved seemed absurd in the highest possible degree. And yet, that is exactly what happened, starting more than 500 million years ago. The story of the human eye begins with a simple light spot, such as the one found in single-celled organisms, like euglena. This is a cluster of light-sensitive proteins linked to the organism's flagellum, activating when it finds light and, therefore, food. A more complex version of this light spot can be found in the flat worm, planaria. Being cupped, rather than flat, enables it to better sense the direction of the incoming light. Among its other uses, this ability allows an organism to seek out shade and hide from predators. Over the millenia, as such light cups grew deeper in some organisms, the opening at the front grew smaller. The result was a pinhole effect, which increased resolution dramatically, reducing distortion by only allowing a thin beam of light into the eye. The nautilus, an ancestor of the octopus, uses this pinhole eye for improved resolution and directional sensing. Although the pinhole eye allows for simple images, the key step towards the eye as we know it is a lens. This is thought to have evolved through transparent cells covering the opening to prevent infection, allowing the inside of the eye to fill with fluid that optimizes light sensitivity and processing. Crystalline proteins forming at the surface created a structure that proved useful in focusing light at a single point on the retina. It is this lens that is the key to the eye's adaptability, changing its curvature to adapt to near and far vision. This structure of the pinhole camera with a lens served as the basis for what would eventually evolve into the human eye. Further refinements would include a colored ring, called the iris, that controls the amount of light entering the eye, a tough white outer layer, known as the sclera, to maintain its structure, and tear glands that secrete a protective film. But equally important was the accompanying evolution of the brain, with its expansion of the visual cortex to process the sharper and more colorful images it was receiving. We now know that far from being an ideal masterpiece of design, our eye bares traces of its step by step evolution. For example, the human retina is inverted, with light-detecting cells facing away from the eye opening. This results in a blind spot, where the optic nerve must pierce the retina to reach the photosensitive layer in the back. The similar looking eyes of cephalopods, which evolved independently, have a front-facing retina, allowing them to see without a blind spot. Other creatures' eyes display different adaptations. Anableps, the so called four-eyed fish, have eyes divided in two sections for looking above and under water, perfect for spotting both predators and prey. Cats, classically nighttime hunters, have evolved with a reflective layer maximizing the amount of light the eye can detect, granting them excellent night vision, as well as their signature glow. These are just a few examples of the huge diversity of eyes in the animal kingdom. So if you could design an eye, would you do it any differently? This question isn't as strange as it might sound. Today, doctors and scientists are looking at different eye structures to help design biomechanical implants for the vision impaired. And in the not so distant future, the machines built with the precision and flexibilty of the human eye may even enable it to surpass its own evolution.
El ojo humano es un mecanismo increíble, capaz de detectar desde unos pocos fotones hasta la luz solar directa, o alternar su enfoque desde la pantalla que tienes delante al lejano horizonte en un tercio de segundo. De hecho, las estructuras necesarias para esa increíble flexibilidad se consideraron alguna vez tan complejas que el propio Charles Darwin reconoció que la idea de que hubieran evolucionado parecía absurda al extremo. Y sin embargo, eso es exactamente lo que pasó, empezando hace más de 500 millones de años. La historia del ojo humano empieza con un simple mancha sensible a la luz, igual a la que se encuentra en organismos unicelulares, como la euglena. Es un grupo de proteínas sensibles a la luz vinculado al flagelo del organismo, que se activa al encontrar luz y, por lo tanto, comida. Una versión más compleja de este punto de luz se puede encontrar en los gusanos planos, planaria. Al tener forma de copa, en lugar de ser plano, le permite detectar mejor la dirección de la luz entrante. Entre sus otros usos, esta cualidad le permite a un organismo buscar sombra y esconderse de los depredadores. A lo largo de los milenios, al hacerse estas copas de luz más profundas en algunos organismos, la apertura de la parte delantera disminuyó en tamaño. El resultado fue el llamado "efecto estenopeico" que aumentó la resolución considerablemente, redujo la distorsión y solo dejó pasar un fino haz de luz en el ojo. El nautilus, un antepasado del pulpo, usa este ojo estenopeico para mejorar la resolución y la detección direccional. Aunque el ojo estenopeico permite la formación de imágenes simples, la etapa decisiva hacia el ojo tal y como la conocemos, es la lente. Se cree que ha evolucionado a través de células transparentes que cubrían la apertura para prevenir infecciones, lo que permitió al interior del ojo llenarse con líquido y perfeccionar así la sensibilidad a la luz y su procesamiento. Las proteínas cristalinas que se han ido formando en la superficie crearon una estructura que resultó útil para concentrar la luz en un solo punto en la retina. Esta lente es la clave de la capacidad de adaptación del ojo al cambiar su curvatura para adaptarse para la visión de cerca y de lejos. Esta estructura de la cámara estenopeica con una lente ha servido de base para lo que iba finalmente a evolucionar como ojo humano. Otros refinamientos incluirían un anillo colorido, llamado el iris, que controla la cantidad de la luz que entra en el ojo, una capa exterior blanca dura, llamada esclerótica, que mantiene la estructura, y glándulas lagrimales que secretan una película protectora. Pero igualmente importante fue la evolución del cerebro, a la par, que expandió la corteza visual para procesar las imágenes más nítidas y coloridas que estaba recibiendo. Ahora sabemos que lejos de ser una perfecta obra maestra de diseño, nuestro ojo conserva las huellas paso a paso de su evolución. Por ejemplo, en la retina humana se proyecta una imagen invertida con las células que detectan la luz colocadas de espaldas a de la apertura. Esto se traduce en un punto ciego, donde el nervio óptico debe atravesar la retina para llegar a la capa fotosensible de la parte posterior. Los cefalópodos tienen ojos que lucen similares y evolucionaron de forma independiente, tienen una retina orientada hacia delante que les permite ver sin un punto ciego. Los ojos de otras criaturas muestran diferentes adaptaciones. Los zipoteros, llamados peces cuatro ojos, tienen los ojos divididos en dos secciones para mirar sobre y bajo el agua, perfectos para avistar tanto los depredadores como las presas. Los gatos, cazadores nocturnos habituales, han desarrollado una capa reflectante que aumenta la cantidad de luz que el ojo puede detectar, otorgándoles una excelente visión nocturna y su firma resplandeciente. Estos son algunos ejemplos de la enorme diversidad de ojos en el reino animal. Y si tu pudieras diseñar un ojo, ¿lo harías de manera diferente? Esta pregunta no es tan extraña como podría parecer. Hoy, los médicos y los científicos están buscando diferentes estructuras de ojo para ayudar a diseñar implantes biomecánicos para las personas con deficiencias visuales, Y en un futuro no muy lejano, las máquinas construidas con la precisión y la flexibilidad del ojo humano