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'occhio umano è un meccanismo straordinario in grado di rilevare ovunque, pochi fotoni fino alla luce diretta del sole o di spostare la messa a fuoco dal monitor che abbiamo davanti al lontano orizzonte in un terzo di secondo. In effetti le strutture necessarie per una tale incredibile flessibilità una volta erano considerate così complesse che persino Charles Darwin ritenne l'idea di una loro evoluzione più che mai assurda. Eppure fu proprio ciò che accadde, e iniziò più di 500 milioni di anni fa. La storia dell'occhio umano inizia da un semplice fotorecettore simile a quello scoperto negli organismi unicellulari come l'Euglena. Questo recettore è un agglomerato di proteine fotosensibili collegate al flagello dell'organismo, che si attiva quando individua la luce e, quindi, il cibo. Una versione più complessa di questo recettore si trova nella Planaria, un verme piatto. Essendo a forma di coppa piuttosto che piatto, il recettore permette di percepire meglio la direzione della luce in entrata. Tra gli altri usi questa capacità permette ad un organismo di cercare l'ombra e di nascondersi dai predatori. In migliaia di anni in alcuni organismi la coppa ottica è diventata più profonda mentre il foro frontale si è fatto sempre più piccolo. Risultato: un effetto camera oscura che aumenta sensibilmente la risoluzione riducendo la distorsione e permettendo il passaggio attraverso l'occhio di un sottilissimo raggio di luce. Il Nautilus, l'antenato del polpo, utilizza il suo occhio puntiforme per avere una risoluzione e una sensibilità direzionale migliore. Nonostante l'occhio puntiforme permettesse già la visione di immagini semplici la svolta decisiva nell'evoluzione dell'occhio come lo conosciamo oggi è stata la comparsa della lente Si ritiene che lo sviluppo sia avvenuto da cellule trasparenti che rivestivano il foro ottico per prevenire infezioni, facendo in modo che l'interno dell'occhio si riempisse di una sostanza liquida che ottimizza la sensibilità alla luce e la sua elaborazione. Le proteine del cristallino che si formarono sulla superficie crearono una struttura che si rivelò utile per convogliare il fascio di luce in un solo punto della retina. Questa lente è proprio la chiave della flessibilità dell'occhio perché adatta la sua curvatura per vedere gli oggetti vicini e lontani. La struttura a camera oscura con la lente servì come base per quello che poi si sarebbe trasformato nell'occhio umano. Ulteriori perfezionamenti furono l'iride, un anello colorato che controlla la quantità di luce che entra nell'occhio, la sclerotica, uno strato esterno bianco e rigido che serve a stabilizzare la struttura dell'occhio, e le ghiandole lacrimali, che secernono una pellicola protettiva. Altrettanto importante è stata la concomitante evoluzione del cervello che, con lo sviluppo della corteccia visiva, è stata in grado di elaborare le immagini più definite e colorate captate dall'occhio. Oggi sappiamo che l'occhio è tutt'altro che un capolavoro dell'ingegneria perché mostra i segni della sua evoluzione per tappe. Per esempio, la retina nell'uomo è al contrario, con i fotorecettori rivolti verso l'interno dell'occhio. Il risultato è un punto cieco, proprio dove il nervo ottico deve attraversare la retina per raggiungere lo strato fotosensibile posteriore. Gli occhi dei cefalopodi invece, che hanno avuto un'evoluzione separata, hanno la retina rivolta verso l'esterno e la loro vista non ha punti ciechi. Gli occhi di altri animali ancora mostrano diversi tipi di adattamento. Negli Anablepidi, i cosiddetti pesci quattrocchi, gli occhi sono divisi in due parti per poter guardare sopra e sott'acqua, e sono perfetti per individuare predatori e prede. Nei gatti, predatori tipicamente notturni, si è sviluppato uno strato riflettente che aumenta la quantità di luce percepibile dai loro occhi dando loro una vista notturna eccezionale oltre a quella tipica luminescenza. Questi sono solo alcuni esempi dell'enorme varietà di occhi nel regno animale. E allora, se dovessimo progettare un occhio lo faremmo diverso da questi? La domanda non è così strana come potrebbe sembrare. Oggi medici e scienziati biomeccanici studiano le diverse strutture ottiche per progettare i trapianti sui non vedenti. In un futuro non troppo lontano le macchine costruite grazie alla precisione e alla flessibilità dell'occhio umano potrebbero anche andare oltre l'evoluzione naturale dell'occhio.