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.
O olho humano tem um mecanismo fantástico capaz de detectar poucos fotões até luz directa ou mudar o foco de um ecrã perto de ti para um horizonte distante num terço de um segundo. De facto, as estruturas necessárias para tão incrível flexibilidade foram, em tempos, consideradas tão complexas que o próprio Charles Darwin reconheceu que a ideia de estas terem evoluído de algo era completamente absurdo. E no entanto, foi exactamente isso que aconteceu, há mais de 500 milhões de anos. A história do olho humano começa com um pequeno ponto de luz como aqueles encontrados em organismos unicelulares como a euglena. Este é um conjunto de proteínas sensíveis à luz ligadas ao flagelo do organismo, activando-se quando encontram luz e, por isso, comida. Uma versão mais complexa do ponto de luz pode ser encontrada na minhoca plana, a planária. Ser uma concha, em vez de um plano, permite uma melhor percepção da direcção da luz incidente. Entre outros usos, isto permite ao organismo encontrar uma sombra para se esconder de predadores. Durante milénios, essas conchas de luz foram-se aprofundando no interior do organismo, enquanto a abertura na frente se foi tornando mais pequena. O resultado foi o "efeito do buraco pequeno", o que aumenta drasticamente a resolução, reduzindo a distorção ao permitir que um pequeno feixe de luz entre no olho. O náutilus, o antepassado do polvo, usa este olho para uma melhor resolução e sensação direccional. Apesar de este olho permitir imagens simples, o passo crucial para o olho que hoje conhecemos, é a lente. Pensa-se que esta tenha evoluído de células transparentes que cobriam a abertura para evitar infecções, permitindo ao interior do olho encher-se de fluído optimizando a sensibilidade e o processamento da luz. As proteínas cristalinas que se foram formando na superfície criaram uma estrutura que se mostrou útil para focar a luz num único ponto da retina. É esta lente que é a chave da adaptabilidade do olho, mudando a sua curvatura para adaptar a visão ao perto e ao longe. Esta estrutura de câmara com lente serviu de base para aquilo que se tornaria o olho humano. Ajustamentos posteriores incluíram o anel colorido — a íris — que controla a quantidade de luz que entra no olho; uma forte camada branca externa — a esclera — que mantém a estrutura ocular; e as glândulas lacrimais que segregam o filme protector. Mas igualmente importante foi a evolução acompanhante do cérebro, com a expansão do córtex visual para processar as imagens mais coloridas e definidas que estava a receber. Agora sabemos que, apesar de não ser uma obra-prima do "design", o nosso olho tem traços da sua evolução passo-a-passo. Por exemplo, a retina humana é invertida, com as células detectoras de luz viradas para o lado oposto da abertura do olho. Isto origina um ponto cego, onde o nervo óptico perfura a retina para alcançar a camada fotossensível posterior. Os olhos semelhantes dos cefalópodes, que evoluíram separadamente, têm uma retina voltada para a frente, permitindo-lhes ver sem o ponto cego. Outras criaturas têm olhos com diferentes adaptações. O Anableps, o peixe com quatro olhos, tem olhos divididos em duas secções para ver acima e abaixo de água, perfeito para ver tanto predadores como presas. Os gatos, como caçadores nocturnos, desenvolveram uma camada reflectiva que maximiza a quantidade de luz que o olho consegue detectar, permitindo uma excelente visão nocturna, bem como o seu brilho característico. Estes são apenas alguns exemplos da grande variedade de olhos existente entre animais. Assim, se pudesses desenhar um olho, fá-lo-ias de forma diferente? Esta questão não é tão estranha quanto possa parecer. Hoje em dia, os médicos e cientistas estão a olhar para diferentes estruturas oculares para desenvolver implantes biomecânicos para a disfunção ocular. E num futuro não tão distante, as máquinas construídas com a precisão e flexibilidade do olho humano