Bármelyik gerinces állatot nézzük, az két szemmel tekint vissza ránk. A fejünk felett szálló sólymoknak éppen úgy két szemük van, mint az óceánban úszkáló pörölycápáknak. A szakértők régóta töprengenek azon, hogyan alakult ki a gerincesek szeme. Az új vizsgálatok furcsa kezdetet sugallnak: a kutatók azt állítják, hogy 560 millió évvel ezelőtt gerinctelen őseink a küklopszokhoz hasonlóak lehettek, vagyis egyetlen szemük volt a fejük tetején, amely csak később vált ketté.

Szemtelenül bonyolult?

Charles Darwin sokat töprengett a gerincesek szemének rendkívüli összetettségén és kifinomultságán, amikor kidolgozta evolúciós elméletét. „A szem a mai napig borzongást kelt bennem” – vallotta be 1860-ban barátjának, Asa Gray amerikai botanikusnak. Az evolúció során valahogyan sok részből, köztük a lencséből és a retinából, apró változások sora révén alakult ki a szem. Darwin nem tudta megmondani, hogy milyen lépések vezethettek ehhez, de gondolkodását nagyban ösztönözte a gerinctelenek egyszerűbb szemeinek sokfélesége. Néhányuk csupán egy-egy pigmentcsomóval rendelkezik, amely érzékeli a fényt, mások egyszerű, lencse nélküli csészéket hordoznak.

A kreacionisták még az 1990-es években is azt állították, hogy a természetes szelekciónak több milliárd évre lett volna szüksége a szem „kitermeléséhez” – és ez sokkal több idő, mint amennyi ideje élet létezik a Földön.

Dan-E. Nilsson, a svédországi Lund Egyetem neurobiológusa annyira ideges lett ezektől az állításoktól, hogy elhatározta, maga is megbecsüli, mennyi időbe telhet valójában, amíg egy fényérzékeny sejtekből álló folt képalkotó szemmé fejlődik. „Azt hittem, hogy ez egy egyszerű számítás lesz, miért ne csinálnánk meg” – emlékszik vissza Nilsson.

1994-ben Nilsson és Susanne Pelger, egyik kollégája arra a következtetésre jutottak, hogy egy képalkotó szem mindössze néhány százezer év alatt kifejlődhet.

– mondja a szakértő. A modell csak a szem alakjának fejlődésével foglalkozott, a valóságban azonban sok más változás is bekövetkezett. Új fehérjéknek kellett megjelenniük, amelyek például a lencsében törik a fényt, míg mások a retinában elnyelik azt.

1994-ben a kutatók még nem tudtak eleget ezekről a mikroszkopikus részletekről ahhoz, hogy hipotézist alkossanak azok kialakulásáról. Három évtizeddel később viszont már nem ez a helyzet. „Mára rengeteg rendkívül értékes molekuláris adat áll rendelkezésünkre” – mondja Nilsson. Ezért ő és más látáskutatók összefogtak, hogy új hipotézist alkossanak a gerincesek szemének fejlődéséről.

„Ha megnézzük az összes bizonyítékot, hirtelen minden összeáll” – mondja Tom Baden, a Sussex Egyetem neurobiológusa, aki szintén együttműködött Nilssonnal. A szakértők a Current Biology folyóiratban tették közzé a gerincesek szemének evolúciójáról szóló részletes forgatókönyvüket. „Összeállítottunk egy valószínűsíthető lépéssorozatot, amely elvezet a célhoz” – mondja Baden.

A küklopsz színre lép

A forgatókönyv körülbelül 560 millió évvel ezelőtt kezdődik, amikor gerinctelen őseink többnyire még az óceán fenekén éltek. Agy nélküli fejüket kinyújtották, hogy kiszűrjék az elúszó táplálékdarabkákat. Nilsson és kollégái szerint a gerincesek ezen elődeinek a fejük tetején egyetlen fényérzékeny sejtcsoport volt. Ezek a sejtek követték a nappal és az éjszaka változásait, beállítva az állatok biológiai óráját, és egyszerű jelzéseket adtak helyzetükről, így az állatok éppen annyira emelhették meg a fejüket, hogy enni tudjanak, de őket ne egyék meg.

Ennek a küklopsz ősnek néhány leszármazottja elhagyta a tengerfeneket, és úszni kezdett. Ezek még mindig egyszerű, apró agyú lények voltak, és továbbra is a vízben úszva szűrték ki a táplálékot. De immár több információra volt szükségük környezetükről, ezért egyetlen szemük egyre bonyolultabbá vált. Mindkét oldalán csésze alakú mélyedések alakultak ki, amelyek már érzékenyek voltak a bejövő fény irányára is. Nilsson és kollégái szerint ezek lehettek a retina elődei.

Több millió év alatt szűréssel táplálkozó őseink apró halakká fejlődtek, aggyal és szájjal, amellyel élő állatokat tudtak fogni. Nilsson és kollégái azt állítják, hogy ez az átalakulás nem történhetett volna meg a szem további módosulása nélkül. „Akadt egy jobb hely számukra, a fej két oldalán” – mondja Nilsson. Ahogy ezek a protoretinák a fej két oldalára kerültek, a fényérzékeny sejtek között új kapcsolatok jöttek létre, ami élesebb látást eredményezett, állítják a szakértők.

Ezek a korai halak most így már érzékelni tudták a környező áramlásokat, miközben úsztak. „Ez egy teljesen új módot kínált a környezetben való mozgásra és az akadályok elkerülésére” – mondja Nilsson. De miközben az új szemek új helyükre vándoroltak, az állatok továbbra is megtartották ősi szemüket a fejük tetején. Bár ez nem tudott részletes képet nyújtani a környezetükről, továbbra is fontos információkat szolgáltatott, például mérte az általános fényerősséget.

„Ez egy lenyűgöző új elképzelés, de még nem dőlt el minden kérdés” – mondta Karthik Shekhar, a Berkeley Egyetem komputációs biológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban. Az elképzelés tesztelésének egyik módja az lenne, ha összehasonlítanák a tobozmirigy és a retina sejtjeinek aktivitását több gerinces fajban. Ha Nilsson és kollégái jó nyomon járnak, akkor a két szerv sejtjeinek mély molekuláris hasonlóságokat kell mutatniuk – ami a szoros evolúciós kapcsolat jele. Baden elmondása szerint ő és kollégái már el is kezdték ezeket az összehasonlításokat zebradániókkal indítva a munkát. „Ez persze még csak a kezdet, nem a vég” – mondja a kutató.

Örök kérdések

Az új fosszilis leletek ugyanakkor arra utalnak, hogy a szem evolúciója meglepő fordulatokat vehetett, amelyeket Badenék nem vettek figyelembe hipotézisük megalkotásakor. Az elmúlt években kínai és brit paleontológusok tanulmányozták a legkorábbi gerinces fosszíliákat, amelyek 518 millió évvel ezelőttről származnak. Ezek a fosszíliák a fej oldalán szemnyomokat mutatnak, lencsékkel és retinákkal együtt. De a fej tetején van egy második pár szem is, amely szintén lencsékkel és retinákkal rendelkezik.

Jakob Vinther, a Bristoli Egyetem paleontológusa úgy sejti, hogy a korai gerincesek – ezek a kis állatok, amelyekre nagy gerinctelenek vadásztak – előnyösnek találhatták a négy szem által biztosított extraszéles látómezőt. „Úgy gondolom, hogy azért volt négy szemük, mert a tápláléklánc alján álltak” – mondja Vinther. Nilsson szerint a plusz szemek a gerincesek DNS-ének drasztikus változása miatt alakulhattak ki. Egyes vizsgálatok arra utalnak, hogy a gerincesek evolúciójának korai szakaszában a teljes genom duplikálódott. A plusz génkészlet pedig plusz szemeket is eredményezhetett.

„Ahogy feljebb jutottak a táplálékláncban, már nem volt szükségük osztott látásra” – mondja. „A plusz szemek elavultak.” A gerincesek ugyan elvesztették extra szemeiket, de a fejük tetején található ősi fényérzékeny szövet megmaradt. Amikor a halak a szárazföldet is elkezdték meghódítani, a tobozmirigyük megmaradt, és ma is rendelkezünk ilyennel emberként.

Nálunk és más emlősöknél azonban a tobozmirigy az agy sötét mélyére süllyedt, így már nem képes közvetlenül érzékelni a fényt. Ehelyett a szemünkből érkező fényjelek továbbítódnak a tobozmirigybe, ami arra készteti az ott található idegsejteket, hogy a napszaktól függően eltérő hormonokat bocsássanak ki.

A jövőbeli kísérletek talán többet is elárulhatnak majd arról, hogyan alakult a gerincesek szemének fejlődése félmilliárd év alatt. De persze mindenre valószínűleg sosem kapunk választ. Ezért Nilsson leginkább egy időgépet szeretne, hogy teljesen biztos információkat kapjon. „Csak egyetlen órát szeretnék 600 millió évvel ezelőtt tölteni, hogy megnézhessem azokat az állatokat, amelyek akkor éltek, és lássam, milyen szemük volt valójában” – mondja vágyakozva.