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.
ดวงตาของมนุษย์เราคือกลไกการทำงานอันน่าทึ่ง สามารถรับแสงได้ตั้งแต่แสงไม่กี่โฟตอน จนถึงแสงโดยตรงจากดวงอาทิตย์ หรือเปลี่ยนโฟกัสจากจอที่อยู่ตรงหน้าคุณ ไปยังเส้นขอบฟ้าไกลๆ ได้ในชั่วพริบตา ที่จริง โครงสร้างที่ต้องการ ความยืดหยุ่นอันน่าเหลือเชื่อนี้ ครั้งหนึ่งเคยถูกมองว่ามีความซับซ้อนมาก ซึ่ง ชาร์ล ดาร์วิน ยอมรับว่า ในแง่ของการวิวัฒนาการ ดูแล้วแทบจะไม่มีทางเป็นไปได้เลย และนี่ คือสิ่งที่ได้เกิดขึ้น เริ่มต้นเมื่อกว่า 500 ล้านปีก่อน เรื่องราวของดวงตามนุษย์ กำเนิดจากจุดรับแสง (light spot) ง่ายๆ แบบเดียวกับที่พบในสัตว์เซลล์เดียว เช่น ยูกลีนา (euglena) มันเป็นกลุ่มก้อนโปรตีนที่มีความไวต่อแสง ต่อเชื่อมกับ แฟลกเจลลัม (flagellum) จะทำงานเมื่อมันเจอกับแสง และแน่นอน อาหาร จุดรับแสงที่ซับซ้อนมากขึ้น สามารถพบได้ใน หนอนตัวแบน พลานาเรีย (planaria) มันเว้าลงไป แทนที่การแบนราบ ทำให้การตรวจจับ ทิศทางของแสงนั้นดีขึ้น จำพวกที่ใช้งาน ความสามารถนี้ทำให้ระบบ ค้นหาที่ร่มเงา และซ่อนตัวจากนักล่า กว่าพันปีหลังจากนั้น จุดเว้ารับแสงนี้ก็ยิ่งขยาย ลึกลงไปในสิ่งมีชีวิตบางตัว ขณะที่รูเปิดด้านหน้าหดเล็กลง ผลคือทำให้เกิดปรากฏการณ์รูเข็ม มันเพิ่มความคมชัดของภาพขึ้นอย่างมาก ลดภาพบิดเบี้ยวโดย ให้เพียงลำแสงเล็กๆผ่านเข้าสู่ดวงตา หอยงวงช้าง ที่เป็นบรรพบุรุษของปลาหมึก ใช้ตารูเข็มนี้เพื่อ เพิ่มความคมชัด และการรับรู้ทิศทาง อย่างไรก็ตามตารูเข็ม แค่ทำให้เห็นภาพแบบง่ายๆ ก้าวสำคัญที่นำไปสู่ดวงตา อย่างที่เรารู้จัก ก็คือเลนส์ ซึ่งเชื่อมีวิวัฒนาการ มาจากเซลล์โปร่งแสงที่คลุมอยู่หน้ารูรับแสง เพื่อป้องกันการติดเชื้อ มันทำให้ภายในดวงตานั้น เติมเต็มไปด้วยของเหลว ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ของความไวแสง และการประมวลผล ผลึกโปรตีนก่อตัวที่พื้นผิว เกิดเป็นโครงสร้าง ที่พิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ ในการโฟกัสแสงให้เป็นจุดๆเดียว บนจอประสาทตา (retina) ซึ่งเลนส์นี้เป็นกุญแจสำคัญ ของความสามารถ ในการปรับตัวของตา เปลี่ยนความโค้งของมัน ไปตามระยะของภาพที่อยู่ใกล้ หรือไกล โครงสร้างที่มีรูเข็มร่วมกับเลนส์ เป็นรากฐาน ในวิวัฒนาการไปเป็น ดวงตาของมนุษย์ การปรับปรุงขั้นต่อมาได้แก่ วงแหวนสีที่เรียกว่า ม่านตา (iris) มันคอยควบคุมปริมาณแสงที่เข้าสู่ดวงตา เยื่อบุตาด้านนอกที่เรียกว่า ตาขาว (sclera) ช่วยในการคงรูปร่างของลูกตา และต่อมน้ำตา ที่ขับสารออกมาเคลือบปกป้องลูกตา ที่สำคัญไม่แพ้กัน คือการพัฒนาที่ควบคู่ไปด้วยกันของสมอง สมองส่วนการมองเห็น (visual cortex) ได้ขยายใหญ่ขึ้น เพื่อประมวลภาพได้อย่างคมชัด และมีสีสันมากขึ้น ตอนนี้เรารู้ว่ามันยาวไกล กว่าจะมาเป็นผลงานออกแบบขิ้นเอก ตาของเราได้เผยให้เห็นร่องรอย ของวิวัฒนาการในแต่ละขั้น ตัวอย่างเช่น จอประสาทตา ของมนุษย์น้้นกลับด้าน โดยเซลล์รับแสงนั้นจะหันหลังให้กับรูรับแสง ผลคือ เกิดจุดบอด (blind spot) ตรงที่เส้นประสาทตาใช้เป็นจุดเชื่อมต่อ กับจอประสาทตา เพื่อเข้าถึงเซลล์ความไวต่อแสง ทีอยู่ทางด้านหลัง ดวงตาที่ดูคล้ายกัน ของพวกเซฟาโลพอด (Cephalopod) วิวัฒนาการโดยอิสระ มีจอประสาทตาที่หันหน้าไปทางรูรับแสง ทำให้พวกมันมองเห็นโดยที่ไม่มีจุดบอด ตาของสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ก็มีการปรับตัวไป ในลักษณะที่แตกต่างกัน เอนาเบลป (Anableps) หรือปลาสี่ตา มีตาที่แบ่งออกเป็นสองส่วน ใช้ในการมองเหนือผิวน้ำ และใต้น้ำ เหมาะสำหรับการมองหา ทั้งศัตรูและเหยื่อของมัน แมว นักล่ายามราตรี ได้พัฒนาชั้นสะท้อนแสง (reflective layer) เพิ่มความสามารถของดวงตาในการรับแสง ช่วยให้มันมองเห็นในความมืดได้ดี มอบดวงตาเรืองแสงอันเป็นเอกลักษณ์ของมัน นี่เป็นแค่ตัวอย่างเล็กน้อย ในความหลากหลายของดวงตาเหล่าสรรพสัตว์ ถ้าเกิดคุณสามารถออกแบบตาได้เอง คุณจะให้มีอะไรต่างไปจากนี้หรือไม่? นี้ไม่ได้เป็นคำถามประหลาดอย่างที่คิด ทุกวันนี้ แพทย์และนักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษา โครงสร้างตาหลายๆรูปแบบ เพื่อช่วยในการออกแบบปลูกถ่ายดวงตาเทียม สำหรับผู้พิการทางสายตา และในอนาคตไม่ไกลจากนี้ ดวงตาเทียมที่มีความคมชัด และยืดหยุ่นแบบดวงตาของมนุษย์ อาจทำให้เกิดความก้าวล้ำ ของวิวัฒนาการ กว่าที่เคยเป็นมา