Για κοιτάξτε γύρω σας. Το φως που πέφτει στην οθόνη του υπολογιστή, τα χρώματα του δωματίου, οι σκιές ή οι λεπτομέρειες των αντικειμένων, είναι όλα εικόνες που συνθέτει ο προστατευμένος μέσα στο σκοτεινό και αδιαφανές κρανίο εγκέφαλος. Είναι μια διαδικασία τόσο αυτονόητη που σπάνια θα αναρωτηθείτε πώς προκύπτει.
Το ανθρώπινο μάτι θεωρείται ένα από τα πιο εξελιγμένα βιολογικά συστήματα που δημιούργησε ποτέ η φύση. Διαθέτει περισσότερους από 100 τύπους νευρικών κυττάρων, μετατρέπει τα φωτόνια σε ηλεκτρικά σήματα μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου και επιτρέπει στον εγκέφαλο να αντιλαμβάνεται έναν οπτικό κόσμο με εντυπωσιακή ακρίβεια.
Πώς προέκυψε όμως αυτή η πολυπλοκότητα;
Μέχρι σήμερα, η απάντηση που έδινε η εξελικτική βιολογία ήταν σχετικά απλή. Τα μάτια των σπονδυλωτών εξελίχθηκαν σταδιακά, ξεκινώντας με έναν αμφιβληστροειδή που αποτελούνταν μονάχα από φωτοϋποδοχείς και γαγγλιακά κύτταρα.
Δεν πρόκειται φυσικά για τον διαβόητο Κύκλωπα της μυθολογίας, αλλά για έναν κοινό πρόγονο όλων σχεδόν των σπονδυλωτών, που έζησε περίπου πριν από 600 εκατομμύρια χρόνια, πολύ πριν εμφανιστούν οι απόγονοί του, τα ψάρια, οι δεινόσαυροι ή τα θηλαστικά.
Μια νέα μελέτη, όμως, προτείνει κάτι πολύ πιο ανατρεπτικό. Υποστηρίζει ότι το ανθρώπινο μάτι ίσως δεν δημιουργήθηκε ποτέ πραγματικά από την αρχή.
Αντίθετα, μπορεί να αποτελεί μια εξελικτική ανακατασκευή ενός πολύ αρχαιότερου, και ήδη εξαιρετικά πολύπλοκου, φωτοευαίσθητου οργάνου που ανήκε σε έναν μικροσκοπικό, σκωληκόμορφο θαλάσσιο οργανισμό. Στην εξελικτική του πορεία, αυτός ο οργανισμός κατέληξε να φέρει μόνο ένα μάτι ραχιαία, στο κέντρο του κεφαλιού.
Δεν πρόκειται φυσικά για τον διαβόητο Κύκλωπα της μυθολογίας, αλλά για έναν κοινό πρόγονο όλων σχεδόν των σπονδυλωτών, που έζησε περίπου πριν από 600 εκατομμύρια χρόνια, πολύ πριν εμφανιστούν οι απόγονοί του, τα ψάρια, οι δεινόσαυροι ή τα θηλαστικά.
Η μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Current Biology και έγινε και εξώφυλλο δεν επικεντρώνεται σε κάποιο εντυπωσιακό απολίθωμα. Κανείς δεν έχει βρει ένα μονόφθαλμο ζώο ηλικίας 600 εκατομμυρίων ετών.
«Η μελέτη αποτελεί μια εξελικτική σύνθεση που συνδυάζει μοριακά, μορφολογικά και λειτουργικά δεδομένα από τη συγκριτική βιολογία, την αναπτυξιακή γενετική και τη νευροεπιστήμη. Συγκρίνει φωτοϋποδοχείς, νευρικά κυκλώματα και οπτικά όργανα σε διαφορετικές ομάδες ζώων, επιχειρώντας να ρίξει φως σε ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα της εξελικτικής νευροβιολογίας: γιατί ο αμφιβληστροειδής των σπονδυλωτών διαφέρει ριζικά από αυτόν των υπόλοιπων ζώων;», εξηγεί στο WIRED Greece o πρώτος συγγραφέας της μελέτης Δρ Γιώργος Καφετζής.
Ως ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Sussex, ο Έλληνας επιστήμονας επικεντρώνεται στη δομή, τη λειτουργία και την εξέλιξη των δικτύων της όρασης, χρησιμοποιώντας κυρίως ως οργανισμό μοντέλο τα σκυλόψαρα, μικρόσωμους καρχαρίες.
Για δεκαετίες οι βιολόγοι διαπιστώνουν ότι τα μάτια των ασπονδύλων και των σπονδυλωτών δεν διαφέρουν απλώς οπτικά. Αντιθέτως, αναπτύσσονται με διαφορετικό τρόπο στο έμβρυο, χρησιμοποιούν διαφορετικούς τύπους φωτοϋποδοχέων και έχουν εντελώς διαφορετική νευρωνική αρχιτεκτονική.
Συγκεκριμένα, στα περισσότερα ασπόνδυλα, από τα έντομα μέχρι τα χταπόδια, τα πλευρικά μάτια αποτελούνται από φωτοϋποδοχείς της λεγόμενης ραβδομερικής εξελικτικής γραμμής. Στα σπονδυλωτά συμβαίνει κάτι που δεν παρατηρείται πουθενά αλλού στη φύση. Τα κύτταρα που συλλαμβάνουν το φως, τα ραβδία και τα κωνία, ανήκουν σε μια διαφορετική οικογένεια φωτοϋποδοχέων. Όμως συνυπάρχουν με κύτταρα της ραβδομερικής εξελικτικής γραμμής, τα οποία επεξεργάζονται αυτές τις πληροφορίες πριν τις επικοινωνήσουν στον εγκέφαλο.
Με άλλα λόγια, ο αμφιβληστροειδής των σπονδυλωτών (και κατ’ επέκταση του ανθρώπου) μοιάζει να προέρχεται περισσότερο από μια ‘συγκόλληση’ δύο διαφορετικών βιολογικών συστημάτων παρά από ένα σύστημα που εξελίχθηκε ενιαία.
Το διαχρονικό ερώτημα είναι πώς συνέβη αυτό.
Η απάντηση φαίνεται να βρίσκεται πολύ πίσω στον χρόνο, και μάλιστα σε ένα διαφορετικό όργανο.
Μελετώντας 36 μεγάλες ομάδες ζώων, ουσιαστικά σχεδόν ολόκληρο το ζωικό βασίλειο των πλευρικά συμμετρικών οργανισμών, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι οι φωτοευαίσθητες δομές εμφανίζονται σχεδόν πάντοτε σε δύο θέσεις, είτε ως ζευγάρι στα πλάγια είτε ως ένα όργανο ραχιαία, στο μέσο του κεφαλιού.
«Οι πλευρικοί φωτοϋποδοχείς χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά για την όραση και την πλοήγηση. Βοηθούν τα ζώα να εντοπίζουν τροφή, να αποφεύγουν θηρευτές και να κατευθύνουν την κίνησή τους. Οι μεσαίοι φωτοϋποδοχείς συνήθως εξυπηρετούν κάτι εντελώς διαφορετικό. Δεν ενδιαφέρονται τόσο για τις εικόνες όσο για την ένταση του φωτισμού στο περιβάλλον. Ανιχνεύουν έτσι την εναλλαγή ημέρας και νύχτας, τον προσανατολισμό σε σχέση με τον ουρανό ή με το βάθος μέσα στο νερό», λέει ο Δρ Καφετζής.
Ο κοινός πρόγονος των σπονδυλωτών πιθανότατα ήταν αρχικά ένα ενεργό θαλάσσιο ζώο με πλευρικά μάτια. Υπάρχουν ενδείξεις ωστόσο πως κάποια στιγμή υιοθέτησε έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο ζωής. Άρχισε να ζει χωμένος στον θαλάσσιο πυθμένα, φιλτράροντας το νερό για να τραφεί.
«Σε ένα τέτοιο περιβάλλον η πλευρική όραση που εξυπηρετούσε την πλοήγηση δεν είχε πλέον ιδιαίτερη αξία. Καθώς η διατήρηση και λειτουργία νευρικών συστημάτων είναι πολυδάπανη, αν ένα ζώο δεν τα χρειάζεται, η φυσική επιλογή τείνει να τα καταργεί», αναφέρει ο Έλληνας επιστήμονας.
Έτσι, τα πλευρικά του μάτια χάθηκαν.
Επέζησε όμως το φωτοευαίσθητο όργανο που βρισκόταν ραχιαία στο μέσο του κεφαλιού. Εκείνο εξακολουθούσε να του είναι χρήσιμο, καθώς το κυκλώπειο ζώο έπρεπε ακόμη να γνωρίζει αν είναι μέρα ή νύχτα, ποια είναι η κατεύθυνση του φωτός και πού βρίσκεται η επιφάνεια της θάλασσας.
Και τότε συνέβη το δεύτερο μεγάλο εξελικτικό άλμα.
Λίγα εκατομμύρια χρόνια αργότερα οι απόγονοι αυτού του οργανισμού εγκατέλειψαν ξανά τη στατική ζωή και άρχισαν να κολυμπούν ενεργά. Αυτή η αλλαγή στον τρόπο ζωής επανάφερε στο προσκήνιο την ανάγκη πλοήγησης.
Εκεί η εξέλιξη, όμως, δεν ξεκίνησε από λευκό χαρτί.
Αντί να κατασκευάσει ένα ολοκαίνουργιο σύστημα πλοήγησης από την αρχή, χρησιμοποίησε ως καλούπι αυτό που υπήρχε ήδη.
Το μέσο φωτοευαίσθητο όργανο άρχισε να σχηματίζει δύο μικρές φωτοευαίσθητες κοιλότητες στα πλάγια του. Με τον χρόνο οι κοιλότητες αυτές απομακρύνθηκαν από τη μέση γραμμή, μετακινήθηκαν προς τις πλευρές του κεφαλιού και εξελίχθηκαν στους δύο αμφιβληστροειδείς των πρώτων σπονδυλωτών.
Μοντέρνες εκδοχές αυτού του οργάνου παραμένουν ραχιαία στο κεφάλι των περισσότερων σπονδυλωτών και εξακολουθούν να είναι φωτοευαίσθητες. Και αν και στα θηλαστικά δείχνει να απουσιάζει, στην πραγματικότητα το μέσο φωτοευαίσθητο όργανο δεν εξαφανίστηκε ποτέ.
«Κατέληξε βαθιά μέσα στον εγκέφαλο ως επίφυση που απελευθερώνει τη μελατονίνη, τη βασική ορμόνη του ύπνου που συγχρονίζει το βιολογικό μας ρολόι με τον κύκλο ημέρας και νύχτας. Με άλλα λόγια, το σύστημα που μας επιτρέπει να βλέπουμε και εκείνο που μας κάνει να νυστάζουμε μετά τη δύση του ήλιου ίσως αποτελούν δύο εξελικτικές παραλλαγές του ίδιου αρχέγονου οργάνου», προσθέτει ο Δρ Καφετζής.
Ο ανθρώπινος αμφιβληστροειδής περιέχει περισσότερους από εκατό διαφορετικούς τύπους νευρώνων, ενώ μάλιστα στα ποντίκια έχουν καταγραφεί ακόμη περισσότεροι.
Αυτή η περιπετειώδης εξελικτική διαδρομή ρίχνει φως στην εξαιρετική πολυπλοκότητα του αμφιβληστροειδή των σπονδυλωτών.
Ο ανθρώπινος περιέχει περισσότερους από εκατό διαφορετικούς τύπους νευρώνων, ενώ μάλιστα στα ποντίκια έχουν καταγραφεί ακόμη περισσότεροι. Η πολυπλοκότητά του προσεγγίζει εκείνη του εγκεφαλικού φλοιού και ξεπερνά κατά πολύ αντίστοιχα συστήματα ζώων όπως του χταποδιού ή του σαλιγκαριού, παρότι και εκείνα διαθέτουν εντυπωσιακά μάτια τύπου κάμερας.
Μέχρι σήμερα πιστευόταν ότι αυτή η πολυπλοκότητα δημιουργήθηκε σχετικά αργά, αφού είχαν ήδη εμφανιστεί τα μάτια των πρώτων σπονδυλωτών.
Οι συγγραφείς προτείνουν ακριβώς το αντίθετο.
Η πολύπλοκη νευρωνική αρχιτεκτονική υπήρχε ήδη στο αρχικό μέσο φωτοευαίσθητο όργανο και απλώς ‘καλωδιώθηκε’ διαφορετικά στον αμφιβληστροειδή όταν αυτός πρωτοδημιουργήθηκε.
Ακόμη και τα μυστηριώδη διπολικά κύτταρα που συνδέουν τους φωτοϋποδοχείς με τα γάγγλια, πιθανότατα δεν αποτελούν μοντέρνες προσθήκες.
Σύμφωνα με τη νέα έρευνα, αποτελούν απογόνους δύο διαφορετικών κυτταρικών σειρών που προϋπήρχαν στο αρχαίο μέσο όργανο και αργότερα ενσωματώθηκαν στο νέο οπτικό κύκλωμα, αποκτώντας νέους ρόλους.
Η υπόθεση περί της αρχαίας, ραχιαίως προϋπάρχουσας πολυπλοκότητας δεν είναι αβάσιμη, ωστόσο παρέμενε μέχρι πρότινος δυσδιάκριτη.
Για παράδειγμα, μια συγκριτική μελέτη κυττάρων του αμφιβληστροειδούς σε θαλάσσιες λάμπραινες, ποντίκια, κοτόπουλα και ψάρια ζέβρα, που δημοσιεύθηκε το 2024 στο Nature Communications, απέδειξε ότι πολλοί από τους βασικούς νευρωνικούς τύπους του αμφιβληστροειδούς είναι ομόλογοι, και άρα προϋπήρχαν στους αμφιβληστροειδείς του κοινού προγόνου των μοντέρνων σπονδυλωτών.
«Παρόλο που δεν μπορούμε να ταξιδέψουμε στο χρόνο για να μελετήσουμε τη δομή και τη λειτουργία του αρχέγονου οφθαλμού, πολλές από τις υποθέσεις μας μπορούν πλέον να ελεγχθούν χάρη στην τεχνολογική πρόοδο», δηλώνει ο Δρ Καφετζής, που τώρα βρίσκεται στο Μπέρκλεϊ ως επισκέπτης ερευνητής εξετάζοντας ορισμένες εξ αυτών.
«Αν αποδειχθούν σωστές, αναμένεται να αλλάξουν ριζικά τις αντιλήψεις μας για την εξέλιξη της όρασης αλλά και για το νευρικό μας σύστημα γενικότερα».
Τότε το ανθρώπινο μάτι δεν θα αποτελεί πλέον μια εντυπωσιακή βιολογική εφεύρεση που δημιουργήθηκε από το μηδέν, αλλά μια μοντέρνα, και εξαιρετικά επιτυχημένη, κρίνοντας από τη διατήρησή της σε όλα τα σπονδυλωτά, έκδοση ενός πανάρχαιου αισθητηρίου συστήματος που η φύση επαναπρογραμμάτισε πριν εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια.
Ίσως αυτή να είναι τελικά η μοναδικότητα του μηχανισμού της εξέλιξης. Δεν εφευρίσκει συνεχώς αυστηρά καινούργια πράγματα. Παίρνει παλιά ‘εργαλεία’, τα μετακινεί, τα επανασυνδέει και τα επιφορτίζει με νέα λειτουργικότητα και ρόλους για τον οργανισμό.
Και χάρη σε αυτή τη δημιουργική ‘ανακύκλωση’, σήμερα μπορούμε όχι μόνο να βλέπουμε τον κόσμο γύρω μας, αλλά και να αναρωτιόμαστε από πού προήλθε το ίδιο μας το βλέμμα.
Με την εγγραφή σας, συμφωνείτε με τους Όρους Χρήσης μας (συμπεριλαμβανομένης της παραίτησης από ομαδικές αγωγές και των διατάξεων διαιτησίας) και αναγνωρίζετε την Πολιτική Απορρήτου μας.
