автор лого - Климентий Левков Дом ученых и специалистов Реховота
(основан в июле 1991 года)
 
 
В Доме ученых и специалистов:
Архив:
Культурный центр
Oтдела Aбсорбции
Программа
мероприятий
Культурного центра отдела абсорбции

Каждый
понедельник!

Мы начинаем групповые встречи:
Я хочу быть здоровым
Хочу быть оптимистом....


Научно-
исследовательский центр «Русское еврейство в зарубежье»

Презентация коллективной монографии "Израиль: русские корни"


Объявления:

Ваше объявление



Новости:
Новые проекты:
Проект «Дело жизни»

Февральская игра "Что? Где? Когда?" «Великий русский певец Ф. Шаляпин не любил выступать без гонорара. "Бесплатно только птички поют",- говорил он. Но однажды Шаляпин нарушил свой принцип, выступая в Народном Доме в Питере на благотворительном концерте, весь сбор от которого должен был пойти на создание оперной труппы в Палестине...»


Присылайте вопросы на игру "Что? Где? Когда?"

Новые пополнения библиотеки...

Физика
Химия
Радио и электротехника, Автоматическое управление, кибернетика
Математика
Вычислительная техника и программирование
Книги из библиотеки М. В. Меерова профессора Института проблем управления РАН им. В. А. Трапезникова Издания Дома Ученых и Специалистов


Выдающиеся евреи
рубрику ведет профессор Феликс Сромин

Читайте: Человек-легенда, учёный и воин «Иосиф Абрамович Рапопорт родился 14 марта 1912 года в украинском городе Чернигове, в еврейской семье врача...» и далее:К 240-летию Давида Риккардо, К 113-летию Фаины Раневской, O Розалин Франклин (авторe крупнейшего открытия в биологии) и о других выдающихся евреях, Евреи и российский космос, Евреи – создатели оружия Победы...




----------------
 
 
Архив
 
Дом ученых и специалистов Реховота
 

Проект "Научно и понятно"    

апрель, 2012 г.

 

Не Делаем Секрета из Ультрафиолета:
цикл УФ рассказов


Доктор Эдуард Коркотян
(Институт Вейцмана. Реховот)
Эдуард Коркотян

 

Начало   Пред. ст.


Рассказ пятый (часть 1): На глазном дне1

С самого начала биологической эволюции, начавшейся несколько миллиардов лет назад, именно солнечный свет является основным двигателем ее прогресса, а циклы день/ночь, свет/мрак несомненно были и остаются главными факторами естественного отбора. Важнейшим следствием конкретных световых условий на планете Земля явилась эволюция зрения. На основе данных палеонтологии считается, что глаз был независимо изобретен различными группами животных от 40 до 65 раз [по данным Salvini-Plawen&Mayer, 1977], что лишний раз подтверждает беспрецедентно важную роль зрения. В частности, глаз был «изобретен» шестью различными базовыми типами многоклеточных: стрекающими (Cnidaria), моллюсками (Mollusca), кольчатыми червями (Annelida), бархатными червями (Onychophora), членистоногими (Arthropoda) и, наконец, хордовыми (Chordata). Эти шесть типов объединяют около 96% всех современных видов многоклеточных. Они завели себе глаза, совершенно разные по размерам, устройству и принципу действия. Тем не менее, светочувствительные белки опсины, необходимые для захвата фотонов света, едины для всех типов и гомологичны между собой. Было также установлено, что закладка глаз в эмбриогенезе контролируется у них гомологичной молекулой Pax 6. Выходит, что органы зрения, будучи по всем признакам разнородными по происхождению (полифилетическими), на молекулярном уровне оказываются, напротив, монофилетическими. Возможно ли это?

 

Попробуем еще раз обсудить вопрос о пределах видимого спектра, но на сей раз не у человека, а вообще, в биомире Земли. У всех зрячих видов глаз настроен на определенную область спектральной специализации, позволяющей ему видеть именно в той среде и в тех условиях, в которых он живет или добывает пищу. И тут на первый план выходит не фактор удобства или выбора, а физические законы распространения света и природного распределения его спектра. Именно эти физически законы в конце концов и накладывают фундаменталные ограничения на то, каким должен быть глаз, чтобы поймать, сфокусировать и обработать изображение. Изменения климата, состава воды и атмосферы, дневные и годичные колебания освещенности также определяли эволюцию зрения. Одним из самых значимых свойств зрительной системы является ее чувствительность лишь к очень ограниченной области длин волн по сравнению с общим спектром энергии, идущей от солнца. Объяснение этому факту кроется в самом происхождении жизни, зародившейся когда-то в воде, которая жестко фильтрует всю область электромагнитного излучения кроме двух крохотных его зон. В частности, и радиоволны (в километровом и декаметровом), и телеволны (в метровом и дециметровом) диапазонах быстро гаснут у самой поверхности воды. Причем, чем короче волна, тем все хуже она проходит. А дальше происходит крайне важный перелом: еще в районе микрометовых волн никакой пенетрации не наблюдается, а затем, около 800 нанометров (соответствующих красному свету) кривая пенетрации резко подскакивает вверх, оставаясь практически равномерно высокой в узком участке, примерно до 200-250 нанометров (УФБ), а затем вновь, хоть и не так резко, устремляется вниз. Образно говоря, водное окошко захлопывается. Если бы не оно, то в океане, даже на самой малой глубине, царил бы «электромагнитный мрак». Не удивительно, что эта зона и явилась главным фактором эволюционного давления на первобытные организмы, отбирая лишь тех, кто смог выработать в себе ту или иную форму биохимической чувствительности к ней. Альтернативным выходом для гидробионтов было опуститься в глубины океана, где меркнет вообще любой свет.

Любопытно также, что некоторые из них развили в себе иное свойство. Как уже говорилось, в воде существует два относительно прозрачных электромагнитных окна.

Первое мы обсудили, а второе находится в отдаленной области сверхдлинных волн (около миллиона метров). Солнечного излучения в этой области нет, но некоторые малые группы электрических рыб используют ее для своего рода «эхолоции» в темных водах. Слишком большая длина волны делает невозможным получение сколько-нибудь детальной картины мира, поскольку рецептор должен коррелировать с длиной «своей» волны. Чтобы хоть как-то улучшить резолюцию, электрические рыбы располагают цепочки рецепторов вдоль всей длины тела и формируют изображение, интегрируя коллективный сигнал от всего органа. Но мы несколько отвлеклись. Падоксальным образом, после того, как многие виды животных выбралась на сушу, где не существовало жестких водных ограничений и спектр света гораздо шире (особенно справа, в инфракрасной зоне) их глаза по-прежнему ограничены этой узкой «исторически сложившейся» полосой. Зрение оказалось весьма консервативным. В таком случае, давайте переведем взгляд к зоне коротких волн. Между нижним пределом зрения (380-400 нанометров) и пропускающей способностью воды (до 250 нанометров) остается ощутимый ультрафиолетовый зазор.

Почему он не заполнен?

Действительно, озоновый слой Земли накладывает жесткое ограничение на область примерно ниже 300 нм. Однако уместно вспомнить, что кислород как таковой (а следовательно и озон) присутствовал в атмосфере земли не всегда, а лишь со времени так называемой кислородной катастрофы, произошедшей в начале протерозоя, около 2.5 миллиардов лет назад. Катастрофа имела биогенный характер и концентрация кислорода медленно росла вследствие интенсивного фотосинтеза, дойдя до современных значений лишь 0.5 миллиарда лет назад. Из этого, в частности, следует, что морские одноклеточные «по инерции» могут быть чувствительны и к более коротковолновому спектру.

По данным Лич и Джонсен [Leech&Johnsen, 2002], не менее 10% от 280-и нанометрового излучения проникает в воду на глубину до 10 метров. При этом, морской фитопланктон проявляет физиологическую чувствительность к свету длиной в 260 нм. А вот зрительная система даже примитивных морских многоклеточных: кольчатых червей, стрекающих, моллюсков, ракообразных и, тем более продвинутых позвоночных: рыб и морских рептилий (все они уже сформировались в водах под голубым озоновым небом) не способны улавливать ничего короче 350 нм. Такова природа отпущенных нам границ зрения, перекочевавших, как уже было сказано, на сушу, но по сей день неизменных. Если вдуматься, то не будь этого зрительного консерватизма, и ничего не мешало бы нам неплохо видеть в миллиметровом, сантиметровом и метровом диапазонах; испускать и принимать радиоволны. Физических запретов тут нет

 

Чтобы быть полезными своему владельцу, глаза должны уметь ловить свет и (у развитых форм) уметь формировать их него изображения. Оптическое устройство глаз фундаментально определено физическими свойствами света, который перемещается только по прямой, может отражаться и характеризуется двумя главными параметрами: интенсивностью и длиной волны (субъективно создающими ощущение яркости, цвета и его насыщенности). Общность устройства оптической системы глаз и даже заложенные в нем искажения и ошибки иногда напрямую проистекают из физических свойств света. Поэтому любая схожесть органов зрения в разных изолированных группах может быть объяснена как эволюционной конвергенцией, так и наличием общих предков. Действительно, по объективным причинам существует лишь несколько сценариев формирования хорошо видящего глаза. По этой причине вполне однотипные структуры могли появиться у животных, эволюционно разнесенных на огромные расстояния. Ярким примером этому служат глаза моллюсков (особенно кальмаров) и позвоночных (в частности, рыб), демонстрирующих огромное сходство, но явно без филогенетических связей. Требования подводного зрения на основе глаза типа камеры стимулировали идентичную эволюцию хрусталика, зрачка, сетчатки. Можно провести и более фантастическое сравнение. В эволюционной биологии, а может и не только в ней, полезно задаться, на первый взгляд, праздным вопросом: как бы выглядел мир, если бы эволюция, подобно некой реке, могла сменить русло и потечь в другую сторону? Взять, к примеру, головоногих моллюсков - осьминогов. Трудно найти на свете что-либо более далекое от людей в смысле строения тела, хотя порой и сопоставимое по размерам. Посудите сами: никаких тебе костей, черепа, позвоночного столба. Только голова с туловием и одна нога, причем, растущая прямо из головы, а вовсе не из «торса». Нога заканчивается своего рода опрокинутой воронкой, по краям которой растет 8 рук (или ног), а в зоне их схождения, как нечто само собой разумеющееся, расположился рот. Тело покрыто кожистой мантией, под которой циркулирует вода, омывая пару жабр. У каждой из жабр - по отдельному приватному сердцу, но есть еще и третье, трехкамерное.

 

Причем, перекачивает оно кровь, отнюдь не алую или красную от гемоглобина, а геноцианиновую: то бесцветную, то вовсе голубую. Всё это похоже на какой-то эволюционный тупик. Нам доподлинно известно, что развитие «избрало» иные магистральные пути. Но в эволюционной биологии вообще не редкость, когда совершенно разные по природе органы и ткани конвергируют, то есть обретают единые свойства оттого, что выполняют сходную работу. Так, щупальца осьминога конечно же разительно отличаются от рук и пальцев человека, зато, глядя на ловкость и точтость их движений, на хваткость присосок, можно легко представить как труд создает подобие восьмиконечного человека. Конечно, одной ловкости рук было бы недостаточно, но у этого моллюска есть еще и скопление окологлоточных нервных узлов, которое по сложности устройства вполне заслуживают звания мозга, хотя таковым не являются. Разумеется, и одного мозга недостаточно. Даже совсем простому мышлению нужна достоверная информация о внешнем мире, поступающая через развитые сенсорные входы. Особенно это справедливо для зрения, настоящих глаз. И, как говорится, глаза у осьминога налицо. Причем, выглядят они вполне «по-человечьи»: защищены роговицей, под ней – радужная оболочка (разве что оснащенная не круглым, а прямоугольным зрачком), далее - слоистый белковый хрусталик, наконец - сетчатка. Изображение на ней фокусируется путем перемещения всей линзы вдоль оптической оси особой цилиарной мышцей, а не изменением кривизны (аккомодацией) при помощи такой же мышцы, как у нас. Первый принцип работает медленнее, зато он проще в устройстве; именно так делаются объективы фотокамер, которые целиком приближают или удаляют от сенсорной матрицы путем вращения.

Число светочувствительных клеток в наших сетчатках тоже сопоставимо. Вот только цветов осьминог по-видимому не различает, но это лишь потому, что предпочитает охоту в сумерках. Другие головоногие, например некоторые кальмары, доказано различают несколько цветов. Как говорилось выше, глаза подтипа позвоночных не являются генетическими наследниками головоногих, были «изобретены» независимо, на основе других тканей. Упрощая, можно сказать, что глаз позвоночных является частью нервной ткани, вынесенной за пределы черепа, тогда как у беспозвоночных – это инвагинация (то есть заглубление) клеток эпидермиса. Это же касается и самой их сетчатки. Здесь кроется одна из загадок зрения позвоночных. Она никак не связана с УФ, посему остановимся на ней лишь вкратце.

На микроскопическом уровне, сетчатка состоит из трех слоев клеток и их отростков на подложке из вспомогательных (глиальных) клеток и кровеносных сосудов. Причем, только один из слоев является светочувствительным, а остальные нужны для первичной обработки сигналов и передачи их в мозг по аксонам в составе зрительного нерва. По неизвестной причине сетчатка позвоночных (но не моллюсков) как бы вывернута наизнанку: сенсорные клетки залегают на самом дне, а проводящие клетки – над ними. И даже зрительному нерву, для того, чтобы попасть в мозг, надо пройти сквозь светочувствительный слой, образуя в этом месте так называемое слепое пятно, где нет фоторецепторов. Чтобы достигнуть нужного уровня, свету приходится проходить сквозь все внешние слои, что не может пойти на пользу четкости и яркости образа. Какова причина этого оптического казуса до сих пор неясно.

Предполагают, что определенные преимущества создает близость рецепторов к кровеносным сосудам и, как следствие, лучшее снабжение кислородом. Но это объяснение трудно назвать удовлетворительным, раз глаз моллюсков вполне обходится без этого ухищрения, а острота его зрения вполне сопоставима с таковым у позвоночных гидробионтов (рыб и пресмыкающихся) и иногда даже превосходит его. Как уже упоминалось, зрительная система весьма консервативна в устройстве; возможно в данном случае мы имеем дело с укоренившейся эволюционной ошибкой.

* * *

1 В написании главы использованы материалы статей Расслеа Фернальда (Russell D. Fernald) по эволюции глаза, изданных в разные годы (The Evolution of Eyes, 1997, Evolution of eyes, 2000, The evolution of eyes, 1992 (with Michael F. Land) и книга Ричарда Грегори «Глаз и мозг» (Richard L. Gregory, Eye and Brain The psychology of Seeing, 1998).

 

(Продолжение)

Copyright © 2011 Доктор Эдуард Коркотян    
(Институт Вейцмана)
    

июнь, 2011 г.    



Страница 1 из 1
  ГлавнаяДневник мероприятийПлан на текущий месяц    
copyright © rehes.org
Перепечатка информации возможна только при наличии согласия администратора и активной ссылки на источник! Мнение редакции не всегда совпадает с мнением автора.