پژوهشی جدید که در مجله علمی Current Biology منتشر شده است، فرضیهای انقلابی را مطرح میکند: چشمهای پیچیدهی مهرهداران، از جمله انسان، ممکن است از یک چشم واحد و مرکزی در بالای سر اجداد باستانی ما تکامل یافته باشند. این مطالعه نشان میدهد که بافت حساس به نور در چشمان ما، پیش از خود چشمها وجود داشته و بقایای این سیستم بینایی اولیه همچنان در اعماق مغز انسان فعال است. این یافتهها، مسیری تکاملی کاملاً متفاوت را برای بینایی در مهرهداران نسبت به سایر قلمرو حیوانات پیشنهاد میکنند.
چشمان حیوانات معمولاً بر دو نوع سلول متمایز حساس به نور، معروف به گیرندههای نوری، تکیه دارند. حیواناتی با تقارن دوطرفه (بدن با نیمههای چپ و راست متمایز) معمولاً هر دو گروه از این سلولها را دارا هستند. گروه اول، گیرندههای نوری رابدومریک نامیده میشوند. این سلولها معمولاً چشمان زوج در طرفین سر حیوانات بیمهرگان را تشکیل داده و برای مسیریابی بصری و پردازش تصویر به کار میروند. گروه دوم، گیرندههای نوری سیلیاری نام دارند که اغلب در عمق مغز یا در یک نقطه مرکزی در بالای سر یافت میشوند. این سلولها به جای تشکیل تصویر، به تنظیم ریتمهای بیولوژیکی روزانه و تشخیص سطوح نور محیطی کمک میکنند. حشرات، خرچنگها و اختاپوسها همگی از این الگوی بیولوژیکی استاندارد پیروی میکنند.
تکامل منحصر به فرد بینایی در مهرهداران
مهرهداران، گروهی که شامل انسان، پرندگان، خزندگان و ماهیها میشود، این قانون تکاملی را به طور کامل نقض میکنند. چشم انسان از سلولهای سیلیاری برای دریافت نور استفاده میکند، اما سپس این سیگنالها را به نورونهایی با ویژگیهای رابدومریک منتقل میکند تا تصویر حاصله را پردازش کند. این ترکیب منحصر به فرد از دو سیستم سلولی مختلف، در جای دیگری از طبیعت دیده نمیشود. جامعه علمی سالهاست که به دنبال توضیحی جامع برای چگونگی دستیابی چشم انسان به این ساختار هیبریدی غیرمعمول بوده است. «راه حل اولیه بینایی چیست و هر گونه تا چه حد آن را کپی یا اصلاح کرده تا مال خود سازد؟» تام بیدن، عصبشناس دانشگاه ساسکس و از نویسندگان این مطالعه، در مصاحبهای با BBC Science Focus بیان کرده است. «الگوها واقعاً چه هستند؟ با گذشت زمان، شروع به این فکر میکنی که چشم اولیه چه بوده است؟»
برای حل این معمای تکاملی، دانشمندان محل و عملکرد سلولهای حساس به نور را در ۳۶ گروه اصلی جانوری مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. آنها جدول زمانی تکاملی را ترسیم کرده و الگویی را شناسایی کردند که به یک جد باستانی کرممانند که حدود ۶۰۰ میلیون سال پیش زندگی میکرده، اشاره دارد. این موجود کوچک احتمالاً هم چشمان زوج جانبی در طرفین سر و هم یک چشم مرکزی در بالا داشته است.
فرضیه چشم مرکزی و از دست دادن چشمان جانبی
دن-اریک نیلسون، استاد بازنشسته زیستشناسی حسی در دانشگاه لوند، در بیانیهای مطبوعاتی گفت: «ما نمیدانیم که آیا چشمان زوج در شاخه ما از درخت تکاملی صرفاً حساس به نور بودهاند یا چشمان سادهی تصویرساز. ما فقط میدانیم که موجود بعداً آنها را از دست داد.» نویسندگان گمان میکنند که اجداد مهرهداران در نهایت سبک زندگی بسیار بیتحرکی را اتخاذ کردند. آنها برای فیلتر کردن ذرات غذا از آب، شروع به حفاری در رسوبات کف اقیانوس کردند. در این سناریو، چون دیگر در حال شنا نبودند، حفظ چشمان پیچیدهی زوج برای مسیریابی، هزینهی بیولوژیکی غیرضروری بود.
در نتیجه، محققان پیشنهاد میکنند که چشمان کناری به مرور زمان ناپدید شدند. تنها سیستم بینایی باقیمانده، همان لکه منفرد سلولهای حساس به نور در بالای سر بود. بیدن در این باره توضیح میدهد: «نیاز به دانستن اینکه چه موقع از روز است، یا بالا و پایین کجاست اگر در آب عمیق هستید، از بین نمیرود.» «بنابراین، ما حدس میزنیم که در آن زمان چشمان اولیه جانبی را از دست دادیم، اما چشم اولیه مرکزی را حفظ کردیم، زیرا برای آن مفید بود.»
بازگشت به دنیای پر جنب و جوش و بازسازی چشم
طبق این مقاله، میلیونها سال بعد، این موجودات حفاریهای خود را رها کرده و به شنا در آبهای آزاد بازگشتند. ناوبری در اقیانوس دوباره نیازمند بینایی پیچیده شد. از آنجایی که حیوان قبلاً چشمان جانبی خود را از دست داده بود، محققان پیشنهاد میکنند که تکامل، تنها تجهیزات حسگر نور موجود را که در اختیار داشت، دوباره مورد استفاده قرار داد. مدل ارائه شده نشان میدهد که چشم مرکزی منفرد به تدریج پیچیدهتر شد و ساختارهای شبیه به فنجان ایجاد کرد که میتوانستند جهت نور ورودی را تشخیص دهند. این فنجانها در نهایت شکافته شده و به کنارههای سر مهاجرت کردند. این مهاجرت، چشمان زوج جدیدی را که امروزه تمام مهرهداران از آن استفاده میکنند، تشکیل داده است.
نیلسون میگوید: «اکنون بالاخره متوجه شدیم که چرا چشمان مهرهداران به طور رادیکالی با چشمان تمام گروههای جانوری دیگر، مانند حشرات و ماهی مرکب، متفاوت است. پردهی چشمان ما - شبکیه - از مغز تکامل یافته است، در حالی که چشمان حشرات و ماهی مرکب از پوست کنارههای سر منشأ میگیرند.»
ریشههای سلولی و "چشم سوم" پنهان
این محققان استدلال میکنند که این انحراف تکاملی، ترکیب سلولی عجیب چشم انسان را توضیح میدهد. تصور میشود که چشم مرکزی اصلی، سیستمی ترکیبی شامل سلولهای سیلیاری و رابدومریک بوده است. هنگامی که برای تشکیل چشمان مدرن ما شکافته شد، احتمالاً این مدار هیبریدی را با خود برد و یک شبکیه چند لایه ایجاد کرد. نیلسون افزود: «برای اولین بار، اکنون ما منشأ مدارهای عصبی که تصویر را در شبکیه ما تجزیه و تحلیل میکنند، درک میکنیم.» یک قطعه اتصال حیاتی در این سیستم جدید، سلول دوقطبی بود. سلولهای دوقطبی به عنوان یک پل ساختاری بین دو نوع گیرنده نوری باستانی عمل میکنند.
نویسندگان پیشنهاد میکنند که این پیچیدگی شبکیه، مدتها قبل از شکلگیری کامل چشم در کنارههای سر، توسعه یافته است. آنها همچنین معتقدند که خود سلولهای دوقطبی دارای دو منشأ تکاملی متمایز هستند. بیدن توضیح میدهد: «آنچه در ابتدا روی سر قرار داشت، یک چشم نیست؛ بلکه بیشتر شبیه مجموعهای از سنسورها، چندین لکه از گیرندههای نوری است.» به همین دلیل، «شبکیه پیش از چشم وجود داشته است، اگر این منطقی باشد. من همیشه فکر میکردم این یک شعار جالب است.»
نویسندگان فرض میکنند که چشم مرکزی اصلی هرگز به طور کامل ناپدید نشده است. در عوض، امروزه به شکل غده پینهآل، عضوی کوچک که در اعماق مغز انسان مدفون است، باقی مانده است. اگرچه این غده در پستانداران دیگر مستقیماً نور را تشخیص نمیدهد، اما غده پینهآل همچنان از سیگنالهای نوری که از چشمان ما منتقل میشود، برای تولید ملاتونین و تنظیم چرخههای خواب استفاده میکند. در برخی از حیوانات امروزی، این ساختار چشم سوم باستانی هنوز قابل مشاهده است. توآتارا، خزندهای شبیه مارمولک از نیوزلند، در واقع یک چشم سوم فعال در بالای سر خود دارد که با لنز و شبکیه کامل است. در ماهیها، غده پینهآل یک اندام سادهتر باقی میماند که میتواند مستقیماً نور عبوری از جمجمه را تشخیص دهد.
تحلیل تاثیر
نیلسون میگوید: «باورنکردنی است که توانایی غده پینهآل ما برای تنظیم خواب بر اساس نور، از چشم مرکزی سیکلوپی (تکچشمی) یک جد دوردست ۶۰۰ میلیون سال پیش نشأت گرفته است.» «نتایج غافلگیرکننده هستند. آنها درک ما از تکامل چشم و مغز را زیر و رو میکنند.»
در حالی که این مطالعه فرضیهای دقیق در مورد تکامل بینایی مهرهداران ارائه میدهد، اما به شدت بر مقایسهی ویژگیهای سلولی و ژنتیکی حیوانات مدرن برای بازسازی تاریخ باستان تکیه دارد. سوابق فسیلی مربوط به نیم میلیارد سال پیش محدود است، به این معنی که دانشمندان نمیتوانند توالی دقیق تغییرات ساختاری در بافتهای نرم این اجداد منقرض شده را مستقیماً مشاهده کنند. محققان خاطرنشان میکنند که دستهبندی دقیق تمام سلولهای شبکیه مدرن در دستههای تکاملی مشخص، دشوار است. در طول میلیونها سال، به نظر میرسد که برخی از این سلولها ویژگیهایی را از هر دو گروه باستانی ترکیب کردهاند، فرآیندی که به آن "چیمریزاسیون" (chimerization) گفته میشود. این ترکیب، ردیابی منشأ دقیق هر مدار عصبی در چشم انسان مدرن را چالشبرانگیز میکند.
تحقیقات آینده احتمالاً بر جمعآوری دادههای ژنتیکی بیشتر از طیف وسیعتری از حیوانات برای آزمودن این فرضیهها متمرکز خواهد شد. دانشمندان امیدوارند با استفاده از تکنیکهای نقشهبرداری پیشرفته، ساختارهای میکروسکوپی غده پینهآل را با ساختارهای شبکیه با جزئیات بیشتری مقایسه کنند. بیدن میگوید: «اجزای اصلی قابل آزمون که ما مطرح کردهایم – با مقداری بودجه و چند سال، میتوان به پاسخ بله یا خیر رسید.» با مطالعه پروفایلهای ژنتیکی حیوانات دریایی سادهتر، محققان قصد دارند تعیین کنند که آیا این سیستمهای اولیه حساس به نور ابتدا ادغام شده و سپس برای ایجاد بینایی که امروز به آن تکیه داریم، شکافته شدهاند یا خیر. این مطالعه با عنوان «Evolution of the vertebrate retina by repurposing of a composite ancestral median eye» توسط جورج کافتزیس، مایکل جی. بوک، تام بیدن و دن-اریک نیلسون انجام شده است.
