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.
Mắt người là một cỗ máy tuyệt vời, nó có thể nhận dạng từ nơi chỉ có vài hạt photon đến ánh sáng mặt trời, hay đổi tiêu cự nhìn ngay trước bạn đến chân trời xa tắp chỉ trong1/3 giây. Thật ra, sự linh hoạt kì diệu này đòi hỏi những cấu trúc vô cùng phức tạp mà Charles Darwin đã ý thức được điều này có liên quan đến tiến hóa ở một mức độ cao nhất. Chưa hết, đó chính xác điều đã diến ra 500 triệu năm trước. Câu chuyện mắt con người bắt đầu với một đốm sáng, như cái được tìm thấy ở cơ thể đơn bào, như tảo mắt euglena. Đây là cụm những protein nhạy cảm với ánh sáng nối với roi của cơ thể, khởi động khi nó tìm thấy ánh sáng và thức ăn. Phiên bản phức tạp hơn của đốm sáng là ở giup dẹp, sán dẹp planaria. Nó cầu chứ không dẹt, phiên bản này có thể cảm nhận hướng ánh sáng tốt hơn. Ngoài các chức năng khác, khả năng này còn giúp sinh vật tìm bóng tối để trốn kẻ thù. Qua nghìn năm, chúng phát triển cao hơn ở một số loài sinh vật, khe ở phía trước nhỏ dần. Do đó, ảnh đi qua lỗ tăng độ phân giải rõ rệt, giảm độ biến dạng khi cho phép một tia ánh sáng qua mắt. Ốc anh vũ, tổ tiên của loài bạch tuộc, dùng hốc mắt này để cải thiện độ phân giải và cảm thụ ánh sáng. Dù hốc mắt cho phép những hình ảnh đơn giản đi qua, bước phát triển kế tiếp của mắt là thủy tinh thể. Thủy tinh thể được coi đã tiến hóa từ những tế bào trong suốt bao bọc cái khe để tránh nhiễm trùng, cho phép phần trong mắt chứa đầy chất dịch nhằm tối ưu hóa độ nhạy sáng và xử lí ánh sáng. Protein thủy tinh thể ở bề mặt tạo ra một cấu trúc hữu ích tập trung ánh sáng vào một điểm ở võng mạc. Thủy tinh thể là bí quyết làm nên khả năng thích ứng của mắt, thay đổi độ cong để nhìn xa hay gần. Cấu trúc hốc mắt với thủy tinh thể là nền tảng để tiến hóa nên mắt người. Sự phát triển tiếp gồm một cái vòng màu, gọi là con ngươi, nó kiểm soát lượng ánh sáng vào mắt, một màng ngoài dày màu trắng được gọi là màng cứng của mắt, duy trì cấu trúc của con ngươi, và tuyến nước mắt tiết ra một màng bảo vệ. Điều quan trọng tương đương là sự tiến hóa trong não với sự mở rộng của vỏ não thị giác để xử lí hình ảnh sắc nét và nhiều màu sắc mà nó nhận được. Chúng ta biết rằng để có được một đôi mắt tuyệt vời như bây giờ, mắt của ta đã tiến hóa dần dần. Ví dụ, võng mạc người đã bị đảo ngược, với những tế bào cảm thụ ánh sáng quay lưng lại với khe mắt. Điều này tạo ra điểm mù, nơi dây thần kinh thị giác phải xuyên qua võng mạc để chạm tới lớp cảm quang ở phía sau. Tương tự ở mắt động vật thân mềm, chúng lại tiến hóa độc lập, có võng mạc quay ra trước, cho phép chúng nhìn mà không có điểm mù. Mắt của sinh vật khác lại thích nghi khác nhau. Anableps, cá bốn mắt, mắt chúng được chia thành 2 phần để nhìn trên và dưới mặt nước, thích hợp cho việc tìm kiếm con mồi và kẻ thù. Mèo, thợ săn đêm lão luyện, đã phát triển một lớp phản chiếu, tối đa hóa lượng ánh sáng mà mắt có thể nhìn được, cho phép chúng nhìn trong đêm, với những đôi mắt phát sáng đặc trưng. Đây chỉ là vài ví dụ về sự đa dạng của mắt trong thế giới động vật thôi. Nếu bạn có thể thiết kế một đôi mắt, liệu bạn có làm khác đi không? Câu hỏi này không lạ lắm đâu. Ngày nay, bác sĩ và nhà khoa học đang tìm những cấu trúc khác của mắt để thiết kế những mô cấu hóa-sinh để cải thiện thị giác. Và trong tương lai gần, máy móc có sự chính xác và linh hoạt của mắt người có thể tự viết nên lịch sử tiến hóa của riêng nó.