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.
چشم انسان ساختاری شگفتانگیز دارد، که قادر است از چند فوتون گرفته تا نور مستقیم خورشید را تشخیص دهد، یا در یک ثانیه فوکوس را از صفحه مقابل خود به افق دوردست تغییر دهد. در حقیقت، ساختارهای مورد نیاز برای چنین انعطافپذیری باورنکردنی زمانی، پیچیده تلقی میشدند به طوری که چارلز داروین اذعان داشت که ایده تکامل در آنجا در بالاترین درجه ممکن پوچ به نظر میرسد. با این حال، این دقیقاً همان اتفاقی است که بیش از ۵۰۰ میلیون سال پیش آغاز شده است. داستان چشم انسان با یک لکه نوری ساده مانند نمونهای که در ارگانیسمهای تک سلولی وجود دارد مانند اوگلنا آغاز میشود. لکه نوری دستهای از پروتئینهای حساس به نور است که به تاژک جاندار مرتبط است و با یافتن نور و در نتیجه موادغذایی فعال میشود. نسخهی پیچیدهتری از این لکه نور را می توان در کرم پهن، پلاناریا یافت. جامی شکل بودن چشم به جای صاف، آن را قادر میسازد جهت نور ورودی را بهتر احساس کند. از جمله کاربردهای دیگر، این توانایی به جاندار امکانِ به دنبال سایه رفتن و پنهان شدن از شکارچی را میدهد. در طول هزاران سال، در برخی از موجودات با رشد بیشتر چنین جامهای نوری، منفذ جلوی آن کوچکتر شده است. نتیجه یک اثر پینهول(سوراخ سوزنی) بود، که وضوح را به طرز چشمگیری افزایش میداد، و تنها با اجازهی ورود دادن یک باریکهای از نور به درون چشم، تحریف را کاهش میدهد. ناتیلوس، از نیاکان هشتپا، از این نوع چشم برای بهبود وضوح و جهت دهی استفاده میکند. اگرچه چشم پینهول میتواند تصاویر سادهای را ایجاد کند، همانطور که میدانیم گام اصلی به سمت چشم یک عدسی است. تصور میشود که این عدسی از طریق سلولهای شفافی که برای جلوگیری از عفونت منفذ آن را پوشاندهاند، تکامل یافته است اجازه میدهد تا داخل چشم با مایعی پر شود که حساسیت و پردازش نور را بهینه میکند. پروتئینهای کریستالی که در سطح تشکیل میشوند ساختاری ایجاد میکنند که در تمرکز نور در یک نقطه از شبکیه مفید است. این عدسی است که کلید سازگاری چشم است، انحنایش را تغییر میدهد تا با دید نزدیک و دور سازگار شود. این ساختار دوربین سوراخ سوزنی با یک عدسی، پایهای برای آنچه در نهایت در چشم انسان تکامل مییابد، بود. اصلاحات بیشتر شامل یک حلقه رنگی به نام عنبیه است، که میزان نور ورودی به چشم را کنترل میکند، یک لایه بیرونی سفید و سخت، معروف به صلبیه، برای حفظ ساختار آن، و غدد اشکی که یک غشای محافظ ترشح میکنند. اما تکامل همراه مغز هم به همان اندازه مهم بود، تکامل آن با توسعه قشر بینایی برای پردازش تصاویرِ واضحتر و رنگارنگتری که دریافت میکرد. اکنون میدانیم که چشم ما به دور از اینکه یک شاهکار ایدهآل در طراحی باشد، ردپایی از تکامل گام به گام است. به عنوان مثال، شبکیه چشم انسان معکوس است، با سلولهای تشخیص دهنده نور که از منفذ جلوی چشم دور هستند. این منجر به یک نقطه کور میشود، که در آن عصب بینایی باید به شبکیه نفوذ کند تا به لایه حساس به نور در پشت برسد. چشمهای مشابه سرپایان، که به طور مستقل تکامل یافتهاند، دارای شبکیه رو به جلو هستند که به آنها امکان میدهد بدون نقطه کور ببینند. چشم موجودات دیگر سازگاریهای مختلفی را نشان میدهد. ماهی چهار چشمی (Anableps)، چشمانی به دو بخش تقسیم شده برای نگاه کردن به بالا و زیر آب دارند، که برای تشخیص هم شکارچیان و هم شکار مناسب است. گربه ها، شکارچیان شبانه کلاسیک، با یک لایه انعکاسی تکامل یافتهاند با به حداکثر رساندن میزان نوری که چشم میتواند تشخیص دهد، به آنها دید در شب عالی و همچنین اثر درخشان میدهند. اینها تنها چند نمونه از تنوع عظیم چشم در قلمرو حیوانات است. پس اگر میتوانستید چشمی طراحی کنید، آیا این کار را متفاوت انجام میدهید؟ این سوال آنقدرها هم که به نظر میرسد عجیب نیست. امروزه پزشکان و دانشمندان در حال بررسی ساختارهای مختلف چشم برای کمک به طراحی ایمپلنتهای بیومکانیکی برای افراد کمبینا هستند. و در آیندهای نه چندان دور، ماشینهای ساخته شده با دقت و انعطافپذیری چشم انسان حتی ممکن است بتوانند آن را فراتر از تکامل خود قرار دهند.