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.
L'oeil humain est une incroyable machine, capable de détecter aussi bien quelques simples photons que la lumière directe du soleil, ou encore de changer de focalisation et de passer d'un écran sous vos yeux à l'horizon lointain en un tiers de seconde. En effet, les structures qui sont à la base d'une telle flexibilité étaient autrefois considérées si complexes que Charles Darwin lui-même confessa que la possibilité que notre œil soit le produit de l'évolution était une idée des plus absurdes. Et pourtant, notre œil évolue bien depuis plus de 500 millions d'années. L'histoire de l’œil humain débute par une simple tâche lumineuse, comme celle que l'on trouve dans les organismes unicellulaires, tels les euglènes. Ceci est un amas de protéines photosensibles lié à la flagelle de l'organisme, qui s'active lorsqu'il trouve de la lumière, et donc de la nourriture. On trouve une version plus complexe de cette tâche lumineuse chez le ver plat planaria. N'étant pas plate, mais incurvée, la tâche lumineuse peut mieux capter la provenance de la lumière. Entre autres, cela permet à un organisme, de rechercher de l'ombre pour se protéger d'éventuels prédateurs. Au fil des millénaires, alors que la forme incurvée de "l’œil" s'est accentuée, son ouverture s'est progressivement réduite. Il en résulta un oeil "en trou d'épingle", qui améliora la résolution d'image, réduisant la distorsion en ne laissant pénétrer qu'un rai de lumière dans l’œil. Le nautile, ancêtre du poulpe, utilise aussi cet œil en trou d'épingle, qui améliore la netteté et joue un rôle de détecteur directionnel. Bien que l’œil en trou d'épingle permette de voir des images simples, l'étape clef qui mène à l’œil que nous connaissons, est son cristallin. On pense qu'il a évolué à travers les cellules transparentes qui tapissent l'ouverture de l’œil pour éviter les infections, permettant à l'intérieur de l’œil de se remplir d'un fluide, ce qui optimise la sensibilité à la lumière et le traitement des images. Les protéines cristallines qui se formaient en surface ont formé une structure qui s'est avérée utile pour diriger la lumière vers un point unique sur la rétine. C'est le cristallin qui est la clef de l'adaptabilité de l'oeil : il ajuste son incurvation pour s'adapter à la vision de près et de loin. C'est cette structure - cette sorte de sténopé muni d'une lentille - qui est à la base de ce qui deviendra par la suite l’œil humain. L’œil compte d'autres raffinements tels un cercle coloré, l'iris, qui contrôle la quantité de lumière qui pénètre dans l'oeil, une couche externe blanche et résistante, appelée sclère ou sclérotique qui permet le maintien de la structure, et des glandes lacrymales qui sécrètent un film protecteur. L'autre évolution importante accompagnant celle de l’œil, est celle du cerveau, avec l'élargissement du cortex visuel pour traiter les images plus précises et plus colorées que l’œil percevait. On sait aujourd'hui, que loin d'être un chef d’œuvre de conception, notre œil conserve l'empreinte de son évolution graduelle. Par exemple, notre rétine est inversée, les cellules photosensibles font face au point opposé de l'ouverture de l’œil. Ce qui nous crée un scotome, là où le nerf optique doit percer la rétine pour atteindre la couche photosensible qui se trouve derrière. Les yeux des céphalopodes, qui ressemblent aux nôtres, mais ont évolué différemment, possèdent une rétine qui fait face à l'ouverture de l’œil, et par conséquent, n'ont pas de scotome. Certaines créatures disposent d'une architecture différente. L'Anableps, surnommé "poisson à 4 yeux", possède des yeux divisés en deux sections, ce qui lui permet de voir simultanément sous et au-dessus de l'eau, un avantage considérable pour repérer proies et prédateurs potentiels. Les yeux des chats sont dotés d'une couche réfléchissante, qui maximise la quantité de lumière perceptible par l’œil, conférant à ces prédateurs nocturnes une excellente vision de nuit, et cette luisance oculaire si caractéristique. Ceci ne sont que quelques exemples de la diversité dont regorge le royaume animal. Si vous aviez à concevoir un œil, que feriez-vous différemment ? Cette question n'est pas aussi étrange qu'elle le paraît. Médecins et scientifiques imaginent des structures d'yeux différentes afin d'aider à concevoir de nouveaux implants biomécaniques. Et dans un futur pas si lointain, les machines dotées de la précision et de la flexibilité de l'oeil humain