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.
העין האנושית היא מנגנון מופלא, שמסוגל לזהות בין כמה פוטונים לאור שמש ישיר, או לשנות פוקוס מהמסך לפניכם לאופק המרוחק בשליש שנייה. למעשה, המבנים הדרושים לגמישות כזו מפליאה נחשבו פעם לכל כך מורכבים ש'צארלס דרווין עצמו הודה שהרעיון שהם התפתחו נראה אבסורדי ברמה הגבוהה ביותר. ועדיין, זה בדיוק מה שקרה, החל מלפני יותר מ 500 מליון שנה. הסיפור של העין האנושית מתחיל עם נקודת אור פשוטה, כמו זו הנמצאת ביצורים בעלי תא יחיד, כמו יוגליניה. זה אוסף של חלבונים רגישים לאור שמקושרים לפלגלום של האורגניזם, שמופעלים כשהוא מוצא אור, ולכן אוכל. גרסה יותר מורכבת של נקודת האור יכולה להמצא בתולעים שטוחות, פלנריה. בצורת קשת ולא שטוחות, מאפשר לה לחוש טוב יותר את הכיוון של האור המגיע. בין השימושים שלה, היכולת מאפשרת לאורגניזם לחפש צל ולהתחבא מטורפים. במהלך אלפי שנים, כשקשתות אור כאלו נעשו עמוקות יותר בכמה אורגניזמים, הפתח לפניהן קטן. התוצאה היתה אפקט חור המחט, שמגביר את ההפרדה באופן דרמטי, מפחית את העיוותים בכך שהוא מאפשר רק לקרן אור דקה להכנס לעין. הנאוטילוס, האב הקדמון של התמנון, השתמש בחריר עין להפרדה משופרת וחישה כיונית. למרות שחריר העין מאפשר תמונות פשוטות, השלב העיקרי לכיוון העין כמו שאנחנו מכירים אותה הוא עדשה. חושבים שהיא התפתחה דרך תאים שקופים שכיסו את הפתח כדי למנוע זיהום, מה שאפשר לתוך העין להתמלא בנוזל ששיפר את הרגישות לאור והעיבוד. חלבונים גבישיים שנוצרים על פני השטח יצרו מבנה שהוכח כיעיל למיקוד אור לנקודה מסויימת על הרשתית. העדשה היא המפתח ליכולת ההתאמה של העין, כשהיא משנה את העקמומיות שלה כדי להתאים לראיה קרובה ורחוקה. המבנה הזה של מצלמת חור מחט עם עדשה שירתה כבסיס למה שלבסוף יתפתח לעין האנושית. שיפורים בהמשך יכללו טבעת צבעונית שנקראת האיריס, ששולטת בכמות האור שנכנסת לעין, שכבה לבנה חיצונית קשיחה, שידועה כסקלרה, כדי לשמור על מבנה שלה, ובלוטות דמע שמפרישות קרום מגן. אבל חשוב לא פחות היתה ההתפתחות המקבילה של המוח, עם ההתרחבות של הקורטקס הראייתי כדי לעבד את התמונות החדות והצבעוניות יותר שהוא קיבל. אנחנו יודעים עכשיו שזה רחוק מלהיות יצירת מופת עיצובית. העין שלנו מכילה סימנים של ההתפתחות בשלבים. לדוגמה, הרשתית האנושית הפוכה, עם תאים מגלי אור שפונים הרחק מפתח העין. התוצאה של זה היא נקודה מתה, בו עצב הראיה חייב לחדור את הרשתית כדי להגיע לשכבה הרגישה לאור מאחור. לעינים הדומות של צפלופודים, שהתפתחו בנפרד, יש רשתית הפונה קדימה, המאפשרת להם לראות בלי שטח מת. עינים של יצורים אחרים מראות התאמות שונות. לאנבלפס, מה שנקרא הדג הפוזל, יש עינים מחולקות לשני אזורים להסתכלות מעל ומתחת למים, מעולה לראית גם טורפים וגם טרף. חתולים, באופן קלאסי צדים בלילה, פיתחו שכבה מחזירת אור שמשפרת את כמות האור שהעין יכולה לזהות, מה שנותן להם ראיית לילה מעולה, כמו גם את הזוהר המוכר. אלו רק כמה דוגמאות לגיוון הגדול בעינים בממלכת החי. אז אם תוכלו לתכנן עין, האם הייתם עושים זאת אחרת? השאלה הזו לא משונה כמו שהיא נשמעת. היום, רופאים ומדענים מביטים במבני עין שונים כדי לעזור לתכנן שתלים ביו מכניים למוגבלי הראיה. ובעתיד הלא רחוק, המכונות שיבנו בדיוק וגמישות של העין האנושית אולי יאפשרו להן להתעלות על האבולוציה.