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.
Глаз человека — удивительный механизм, способный уловить как несколько фотонов, так и поток солнечного света или перевести фокус с экрана монитора перед вами на далёкий горизонт за треть секунды. На самом деле, структура, нужная для такой невероятной гибкости, когда-то считалась настолько сложной, что сам Чарльз Дарвин признал идею эволюционного развития глаз в высшей степени абсурдной. И всё же 500 миллионов лет назад произошло именно это. История человеческого глаза началась с единственной фоточувствительной клетки, подобной найденным в одноклеточных организмах, таких как эвглена. Это кластер светочувствительных протеинов, соединённых со жгутиком организма. Он включается, когда находит свет и, как следствие, еду. Более сложную версию этой клетки можно найти у плоского червя — планарии. Будучи скорее чашевидной, нежели плоской, эта клетка может чувствовать направление источника света. Среди прочих преимуществ, это дает червю возможность искать тень, чтобы прятаться от хищников. За миллионы лет у некоторых животных эти чаши стали глубже, а отверстие в передней части уменьшилось. В результате появился эффект обскуры, который сильно увеличил разрешение и уменьшил искажение, пропуская лишь тонкий лучик света внутрь глаза. Наутилус, предок современного осьминога, использовал этот эффект, чтобы усилить зрение и чувство направления. Хотя такое строение глаза и позволяет получать простые изображения, по-настоящему сделать глаза такими, какими их знаем мы, может лишь линза. Считается, что линзы развились из прозрачных клеток, защищавших отверстие глаза от инфекции. Это позволило заполнить внутреннюю полость глаза жидкостью, которая управляет чувствительностью к свету и обработкой изображения. Сформировавшиеся у поверхности кристаллические белки создали очень эффективную структуру, позволяющую фокусировать свет на сетчатке в единой точке. Именно эта линза служит ключом к высокой адаптивности глаза, её искривление позволяет изменять дальность фокусировки. Такая структура как у камеры обскура, да ещё и с линзой, послужила основой для будущего глаза человека. Последующие улучшения включали в себя цветное кольцо, радужку, которая контролирует количество света, попадающего в глаз, жёсткий внешний слой белого цвета, известный как склера, который поддерживает всю структуру глаза, а также слёзные железы, которые секретируют защитную плёнку. Однако столь же значимой была сопутствовавшая эволюция мозга, в ходе которой развилась зрительная кора, позволившая получать более резкое и насыщенное изображение. Нам известно, что будучи ещё далёкими от совершенства, наши глаза хранят в себе свидетельства своей поэтапной эволюции. Например, сетчатка человека перевёрнута, её светочувствительные клетки смотрят в сторону, обратную отверстию зрачка. В результате появляется слепое пятно, в котором зрительный нерв должен пройти сквозь сетчатку, чтобы достичь светочувствительного заднего слоя. На первый взгляд похожие глаза головоногих, которые развивались независимо, имеют сетчатку, направленную вперёд, что позволяет им исключить слепое пятно. У других животных глаза имеют иные адаптивные особенности. К примеру, так называемые рыбы-четырёхглазки имеют разделённые на две секции глаза, позволяющие смотреть над и под водой. Это идеально для наблюдения за хищниками и добычей одновременно. Кошки, преимущественно охотящиеся ночью, развили отражающий слой, максимизирующий количество света, попадающего в глаза, что дало им отличное ночное зрение, а также фирменные светящиеся глаза. И это лишь несколько примеров огромного разнообразия глаз в животном царстве. Итак, если бы вы могли создать глаза, сделали бы вы их иными? Этот вопрос не так необычен, как может показаться. Сейчас врачи и учёные исследуют разные строения глаз, чтобы создать биомеханические импланты для слабовидящих людей. И в не таком уж далёком будущем машины, обладающие точностью и гибкостью человеческого глаза, вполне могут получить зрение намного совершеннее нашего.