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 é um mecanismo incrível, capaz de detectar desde alguns fótons até a luz solar direta, ou mudar o foco da tela em sua frente para o horizonte distante em um terço de um segundo. Na verdade, as estruturas necessárias para essa flexibilidade incrível foram consideradas tão complexas que o próprio Charles Darwin reconheceu que a ideia de tudo isso ter evoluído parecia o absurdo dos absurdos. Mas foi exatamente isso o que aconteceu, a partir de mais de 500 milhões de anos. A história do olho humano começa com um simples ponto de luz, tal como o encontrado em organismos unicelulares, como a euglena. É um aglomerado de proteínas sensíveis à luz ligado ao flagelo do organismo, que é ativado quando encontra luz e, portanto, comida. Uma versão mais complexa deste ponto de luz pode ser encontrada na planária. Em forma de concha ao invés de plana, permite sentir melhor a direção da luz incidente. Entre seus outros usos, essa habilidade permite ao organismo buscar a sombra e se esconder de predadores. Durante milênios, as conchas de luz foram ficando mais profundas em alguns organismos, e a abertura na parte da frente diminuiu. O resultado foi o efeito do furo de agulha, que aumentou drasticamente a resolução, reduzindo a distorção ao deixar apenas um raio de luz fino entrar no olho. O nautilus, um ancestral do polvo, usa esse furo de agulha com uma melhor resolução e senso de direção. Embora o furo de agulha permita apenas imagens simples, o passo fundamental para o olho como conhecemos foi uma lente. Acredita-se que ela evoluiu a partir de células transparentes que cobriam a abertura para evitar infecções, com o interior do olho preenchido de líquido que otimiza a sensibilidade e processamento da luz. Proteínas cristalinas formadas na superfície criaram uma estrutura que se mostrou útil para focalizar a luz num único ponto sobre a retina. Esta lente é a chave para a capacidade de adaptação do olho, mudando sua curvatura para se adaptar à visão de perto e de longe. Esta estrutura de câmera escura, com um furinho e uma lente, serviu de base para o que evoluiria para o olho humano. Outros aperfeiçoamentos foram um anel colorido, chamado íris, que controla a quantidade de luz que entra no olho, uma dura camada branca externa, conhecida como esclera, para manter sua estrutura, e glândulas lacrimais que secretam uma película de proteção. Mas igualmente importante foi a evolução concomitante do cérebro com sua expansão do córtex visual para processar imagens mais nítidas e coloridas que recebia. Sabemos agora que, longe de ser uma obra-prima de design, nosso olho tem vestígios de sua evolução passo-a-passo. Por exemplo, a retina humana é invertida, com células fotossensíveis na direção oposta à abertura dos olhos. Isso resulta em um ponto cego, onde o nervo óptico deve perfurar a retina para alcançar a camada fotossensível na parte de trás. Os cefalópodes têm olhos semelhantes que evoluíram de forma independente, têm uma retina na mesma direção, permitindo ver sem um ponto cego. Os olhos de outras criaturas exibem adaptações diferentes. Anableps, o chamado peixe quatro-olhos, tem olhos dividido em duas seções para olhar de cima e debaixo d'água, perfeito para observar seus predadores e presas. Os gatos, clássicos caçadores noturnos, evoluíram com uma camada reflexiva maximizando a quantidade de luz que o olho pode detectar, concedendo a eles uma ótima visão noturna, bem como o seu brilho característico. Estes são alguns exemplos da enorme diversidade de olhos no reino animal. Então, se você pudesse projetar um olho, você faria isso de forma diferente? Esta questão não é tão estranha como pode parecer. Hoje, médicos e cientistas estão estudando diferentes estruturas do olho para projetar implantes biomecânicos para a visão prejudicada. E em um futuro não tão distante, as máquinas construídas com a precisão e flexibilidade do olho humano podem até ultrapassar sua própria evolução.