Silmän evoluutio

Evoluutiotutkijoiden ajattelema nilviäisten silmien evoluutio kaavamaisesti. Joiltain nilviäisiltä löydetään hyvin yksinkertaisia silmiä, jotka ovat ihon pinnassa olevia valoa aistivia pigmenttitäpliä. Helmiveneen (Nautilus) silmä on veden täyttämä ontto tila, jossa on reikä. Se toimii neulanreikäkameran tavoin. Mustekalan silmä on kehittynein. Selkäjänteisten silmän uskotaan kehittyneen samansuuntaisesti.

Silmän evoluutio: Nisäkkäiden monimutkaisen silmän uskotaan kehittyneen evoluution kautta monien välivaiheiden kautta. Erilaisia ihmisen silmää yksinkertaisempia silmiä on monilla alkeellisemmilla eliöillä. Nämä silmät voidaan asettaa kehitysjärjestykseen. Silmä näyttää kehittyneen eliön ihon pinnassa olevista valoa aistivista soluista ensin kuoppamaiseksi, sitten neulanreikäkameraa muistuttavaksi. Lopulta silmä meni täysin umpeen esimerkiksi suojaksi loisia vastaan, ja siihen kehittyi värinäkö ja linssi havaitsemisen laadun parantamiseksi. Silmä alkoi tutkijoiden mukaan kehittyä nopeasti kambrikaudella noin 540 miljoonaa vuotta sitten, jolloin merieliöt kehittyivät räjähdysmäisen nopeasti. Mustekalalla on lähes yhtä mutkikas silmä kuin nisäkkäillä, mutta sen rakenne on hieman erilainen.

Silmän evoluutio

Silmän evoluution päävaiheet. a) Valoa aistivia soluja eli reseptoreja eliön ihon pinnassa. b) Kuoppamainen silmä jollainen on esim. lattanalla. c) Neulanreikäsilmä joka muistuttaa neulanreikäkameraa. d) Neulanreikäsilmä, joka on nesteen täyttämä, ja läpinäkyvän kalvon suojaama. e) Linssillinen silmä f) Ihmisen silmän tyyppinen "täysin kehittynyt" silmä.

Selkärankaisten ja mustekalan silmä ovat kehittyneet samantyyppisiksi toistaan riippumatta. Silti niissä on monia eroja ja mustekalan silmä on ihmisen silmää yksinkertaisempi. Mustekalan silmän valoa aistivat solut ovat kokonaan eri tyyppisiä kuin ihmisellä, ja esimerkiksi sokea täplä puuttuu.

Yksisoluisella Euglena-eliöllä oli valoa aistiva piste, jonka ansiosta eliö saattoi vaeltaa kohti valoisaa paikkaa yhteyttämään.

Ensimmäiset silmäfossiilit on löydetty kambrikaudelta 540 miljoonan vuoden takaa, jolloin tutkijoiden mukaan monisoluisten eliöiden "kambrin räjähdys" synnytti muutamien kymmenien miljoonien vuosien sisään valtavan määrän uusia eliöiden pääjaksoja ja lajeja. Eliöiden kahdella suurelle haaralle, Protostomeille ja deuterostomeille kehittyi kummallekin oma silmätyyppinsä. Protostomeja ovat mm. nilviäiset, nivelmadot ja niveljalkaiset. Protostomeilla on rhambdomeeriset solut, joiden valoa aistivaa puoli on ikään kuin kampamainen ja ruohikkomainen, eli monta vierekkäistä piikkiä pystyssä. Deuterostomeja ovat selkäjänteiset ja piikkinahkaiset. Deuterostomeilla näkösolut ovat ciliaarisia, ja muistuttavat puun runkoa oksineen, eli akselista lähteviä piikkejä, tai vaikkapa tikapuumainen systeemi..

Arvioiden mukaan pistemäiset silmät ovat kehittyneet jopa 40–65 eri kertaa. Valon suunnan muutaman asteen tarkkuudella aistiva silmä on kehittynyt suhteellisen harvoille eliöryhmille ehkä vain 6–30 kertaa, siis melko harvoin, mutta nämä eliöt kattavat 96% kaikista eliöistä.

Esimerkiksi eri nilviäislajeja tutkittaessa nähdään hyvin erilaatuisia silmiä, joista toiset ovat mutkikkaita, toiset yksinkertaisempia..

Valoa aistiva pigmenttitäplä

Yksinkertaisin monisoluinen silmä on valoa aistiva pigmenttitäplä eliön pinnassa. Siinä hermosolut ja valoa aistivat solut saattavat vuorotella. Tämän tyyppisiä pintasolukosta kehittyneitä silmiä on kastemadoilla, joillain kotiloilla ja monilla värysmadoilla eli laakamadoilla. Esimerkiksi värysmatojen silmä ei aisti kuvaa, mutta havainnoi valon määrää ja tulosuuntaa.

Kuoppamainen silmä

Avoimet, kuoppamaiset silmät eli pigmenttikupit ovat esim. laakamatoihin kuuluvalla lattanalla eli Planarialla ja halkikuorisilla nilviäisillä . Kuoppasilmät olivat myös kambrikauden etanalla. Kuoppasilmällä on yhä melko vaikea havaita valon suuntaa, paremmin sillä havaitsee onko valoa vai ei. Silmä ei aina vaadi mutkikasta hermostoa. Esimerkiksi eräillä medusoilla on silmä, muttei keskushermostoa, ja silmä ohjaa suoraan lihasta.

Neulanreikäsilmä, peilisilmä

Kambrikaudella silmä ja siihen liittyvä kuvaa käsittelevä keskushermosto kehittyivät nopeasti, ja neulanreikäkameraa muistuttava neulanreikäsilmä ilmestyi helmiveneelle (Nautilus). Ainakin nykyajan Nautiluksen silmä on linssitön ja sarveiskalvoton . Tämä neulanreikäsilmä oli veden täyttämä, mutta kudosten hyvin suojaama. Neulanreikäsilmällä saattoi havaita valon suuntaa ja hahmojakin. Muun muassa suojaksi loisia vastaan kehittyi silmän eteen läpinäkyvä kalvo. Yhtä mutkikas kuin neulanreikäsilmä on peilisilmä, jollainen on eliöryhmällä Pecten. Hyönteisille kehittyi verkkosilmä, joka onkin hyödyllinen lentäville pienille eliöille.

Linssi ja värinäkö

Merietanalla Murex on silmässään linssi, vaikka sen silmä ei ole yhtä mutkikas kuin ihmisen silmä. Edelleen selkärankasille ja mustekalalle kehittyi silmä, jossa on linssi. Selkäjänteisten linssi kehittyi viimeistään 500 miljoonaa vuotta sitten, nahkiaisella on värinäkö ja tarkentuva linssi.

Värinäöstä oli hyötyä ruokakasvien havaitsemisessa, parittelukumppanin etsinnässä, saaliin tunnistamisessa ja petojen havaitsemisessa.

Monentyyppisiä silmiä samoilla eliöillä

Cubozoa-eläimiin kuuluvilla kuutiomeduusoilla on monia silmiä. Kuutiomeduusoja ovat muun muassa australiankuutiomeduusa (Chironex fleckeri). Kuutiomeduusan silmiä on neljä sarjaa, joissa kussakin on kuusi silmää. Kuuden silmän ryhmästä on neljä yksinkertaisia valon aistimia, ja lisäksi kaksi kamerasilmää, joista ylemmässä on iiris. Kamerasilmissä on verkkokalvo ja linssi. Kuutiomeduusan silmä on kaukonäköinen ja näkee läheltä olevat kohteen epäterävänä. Sillä ei ole mutkikasta keskushermostoa, joka käsittelisi silmän tuottamaa kuvaa. Näin ollen tutkijat olettavat, että kuutiomeduusan melko yksinkertainen hermostoverkko käsittelisi pitkälle kehittyneestä silmästä tulevaa tietoa.

Silmän evoluutiota koskevat matemaattiset laskelmat

Lundin yliopiston tutkijoiden Nilssonin ja Pelgerin vuonna 1994 esittämä malli silmän kehityksestä.

Silmän evoluutiota ovat Lundin yliopiston tutkijat tutkineet laskemalla tietokoneella silmän muodonmuutosta silmätyypistä toiseen. Laskelmien pohjana on eliöillä havaittu litteä pigmenttisilmä, kuppisilmä, neulanreikäsilmä ja niin edelleen.

Dan Nilsson väittää laskelmiinsa nojaten, että silmän kehitys litteästä valoa aistivasta levystä veisi noin 350 000 sukupolvea, mutta varmaa tämä aikamäärä ei liene, koska se perustuu esiasetettuihin oletuksiin.

Katso myös

• Tekoelämä

Aiheesta muualla

• The Evolution of the Eye Video about the model proposed by Zoologist Dan-Eric Nilsson
• Creationism Disproved? Video from the National Center for Science Education on the evolution of the eye
• Evolution of vertebrate eyes Pharyngula. 2007-12-21. ScienceBlogs. Viitattu 2007-12-23.