Zrakem přijímáme zhruba tři čtvrtiny všech vjemů z okolí. Jak jsme ale k očím vlastně přišli? Na to velmi úspěšně hledají odpověď i čeští vědci. Ti navíc odhalili nečekanou spojitost mezi vývojem zraku a sluchu.
Přísloví, které popisuje úzkostlivou péči slovy „chránit jako oko v hlavě“, ani trochu nepřehání. Oči máme uloženy hluboko v očnicích lebky a navíc je můžeme uzavřít za „bezpečnostní kryt“ víček. Doslova a do písmene v okamžiku je tak vzduchotěsně i vodotěsně oddělíme od okolí. A není divu, že si oči chráníme!
Oko zviklalo i Darwina
Oko představuje jeden z mistrovských kousků přírody. Zdá se být „výrobkem“ tak dokonalým, že se skoro ani nechce věřit, že je evoluce vypiplala v nekonečné sérii pokusů a omylů. Tahle okolnost trápila dokonce již zakladatele evoluční teorie Charlese Darwina, který věnoval ve svém díle „O původu druhů“ jednu kapitolu fenoménům, s jejichž vysvětlením může mít evoluční teorie potíže. Přední místo mezi „citlivými body“ Darwinovy teorie zaujímalo oko. Velký britský přírodovědec jako kdyby už předem slyšel námitky z řad odpůrců evoluce: „Copak mohlo něco tak složitého vzniknout postupným vývojem? K čemu by byly živočichovy všechny evoluční polotovary? Vždyť by jimi nic neviděl?“
Moderní biologie už se námitek vůči evoluci oka neobává. Naopak, právě výzkum vzniku tohoto smyslového orgánu dal zastáncům evoluce do rukou velmi pádné argumenty o tom, že se pozemský život skutečně vyvíjel a nebyl stvořen.
Česká věda na tomto poli dosáhla nemalých úspěchů zásluhou biologů z Ústavu molekulární genetiky Akademie věd v Praze, jež vede RNDr. Zbyněk Kozmík, CSc. Tajemství vývoje oka zkoumají pražští vědci na podivuhodném zástupci exotické fauny tropických moří, na medúze čtyřhrance druhu Tripedalia cystophora.
Fotoaparát v hlavě
Příroda vybavila živočichy zrakovými orgány roztodivných konstrukcí. K nejjednodušším patří světločivné skvrny, jež dokážou rozlišit světlo od tmy a slouží živočichům obvykle jen k základní orientaci. Někteří před slunečním svitem prchají do temnot, jiní jej naopak vyhledávají. Mnozí tvorové mají celou sadu jednoduchých oček rozeznávajících pohyblivé předměty. Obvykle jimi vyhlížejí přirozené nepřátele. Takovýma očima jsou vybaveni například někteří mořští mlži. Hmyz má rovněž stovky jednoduchých oček. Ta však nefungují jednotlivě, ale jsou složena do velkého oka.
Za vrchol evoluce obvykle považujeme komorové oči vybavené čočkou. Ty svou optikou připomínají fotoaparát, v kterém film nahrazuje vrstva světločivných buněk sítnice. Na svět se jimi dívají nejen obratlovci včetně člověka, ale třeba i sépie a chobotnice.
Oko i na koleně
Sortiment typů oka mezi zástupci pozemské fauny je neuvěřitelně bohatý. Vědci dlouho předpokládali, že se různé typy oka vyvinuly nezávisle na sobě. Například velmi podobná stavba oka savců a chobotnic byla uváděna jako učebnicová ukázka tzv. konvergentního vývoje, při němž příroda objevila nezávisle na sobě hned dvakrát jedno a totéž.
Molekulární genetika ale odhalila, že všechny typy očí mají společné evoluční kořeny. Platí to nejen pro komorové oči obratlovců a hlavonožců, ale dokonce i pro na první pohled zcela odlišné „koncepce“ komorových očí a složeného oka hmyzu. Při vzniku většiny typů oka sehrává klíčovou roli gen Pax6, který působí jako dirigent celé řady dalších genů nezbytných pro vznik zrakového orgánu. Roli genu Pax6 potvrdily četné experimenty. Poškození tohoto genu, ať již vniká spontánně nebo je navozeno umělým zásahem člověka, vyvolává vážné defekty oka nejen u savců ale i u mušky octomilky.
O tom, že gen Pax6 neztrácí na síle ani při působení u evolučně velmi vzdálených tvorů, se genetici přesvědčili v bezmála hororovém experimentu. Nechali při něm v různých částech těla octomilky působit myší gen Pax6. Po tomto zásahu vznikaly mušky s okem narostlým v novém působišti myšího genu. Octomilky tak měly oči například na končetině nebo na hrudi.
Jak to dělá medúza?
Navzdory nesporným úspěchům vědci ještě zdaleka neobjasnili všechny záhady vzniku oka. Medúza čtyřhranka druhu Tripedalia cystophora se jim nabízí jako velmi dobrý průvodce na cestě k odhalení evolučních tajů jeho vzniku. V každém ze čtyř rohů svého těla nese ve zvláštním orgánu zvaném rhopalium hned šestici pozoruhodných očí. Dvě oči jsou vybaveny čočkou a vnitřní stavbou se v mnoha směrech podobají oku vývojově mnohem pokročilejších obratlovců. Čtveřice zbývajících oček už je o poznání primitivnější. Jak to medúza dělá, že si dokáže pořídit hned dva typy oka? A jak se vzmohla na oko, které bychom očekávali až u vývojově mnohem pokročilejších živočichů? Zodpovězení podobných otázek nám mnohé napoví i o tom, jak jsme se dopracovali ke svému pohledu na svět my lidé.
Na velikosti nezáleží
Jednu z nejstarších kapitol vývoje oka odhalil spolu se švýcarskými a americkými kolegy doktor Zbyněk Kozmik. Pomohla jim v tom karibská medúza Tripedalia cystophora, již zoologové řadí mezi čtyřhranky z řádu Carybdeidea. Čtyřhranky obývají teplá moře a jak napovídá jméno, jejich zvonec má čtyřhranný tvar. U některých druhů bývá zvonec zespodu z větší částí uzavřen clonou zvanou velarium. Otvor ponechaný ve velariu působí při vypuzení vody ze zvonce jako tryska. Čtyřhranky se díky němu pohybují mnohem rychleji než většina ostatních medúz. Pro některé není problém vyvinout rychlost 8 kilometrů v hodině. Pokud nebereme v úvahu dlouhá lepkavá ramena některých druhů čtyřhranek, pak jsou tyto medúzy skutečnými trpaslíky. Většina jich neměří více než pár centimetrů.
Tripedalia cystophora dorůstá délky kolem pouhých 6 milimetrů a patří tak k absolutně nejmenším medúzám světových moří a oceánů. Její význam pro biologii a molekulární genetiku se však neměří jejími tělesnými proporcemi. Slouží přírodovědcům jako vynikající modelový organismus a dovede badatele i překvapit. Doktor Zbyněk Kozmík například zjistil, že tato čtyřhranka postrádá „okotvorný“ gen Pax6. Místo něj jí slouží k řízení růstu očí a oček evolučně starobylý gen PaxB. Ten spouští v těle medúzy geny pro tvorbu oční čočky i pro tvorbu světločivných pigmentů.
Gen z oka do ucha
Gen PaxB měl velmi zajímavý osud. U vývojově vyšších živočichů se starobylý gen nejprve zdvojil a následně se role obou totožných kopií genu rozešly. Jedna si v podobě genu Pax6 podržela nadvládu nad tvorbou oka, druhá se změnila v gen Pax2 a prodělala přitom takovou přestavbu, že o moc nad vývojem oka přišla.
K zajímavým objevům doktora Kozmíka patří i zjištění, že se u medúzy Tripedalia cystophora neomezuje účinkování genu PaxB jen na oko. Gen se probouzí k činnosti i v orgánu, který je předobrazem sluchového a rovnovážného ústrojí vývojově pokročilejších tvorů. Na vývoji těchto orgánů u mnoha živočichů, muškami octomilkami počínaje a člověkem konče, se podílí „uchotvorný“ gen Pax2, který je stejně jako „okotvorný“ gen Pax6 „potomkem“ starobylého genu PaxB.
Z výzkumů doktora Kozmíka na maličké karibské medúze vyplývá velmi zajímavý závěr. Zrakové, sluchové a rovnovážné orgány se dnes od sebe na první pohled hodně liší, mají však společné evoluční kořeny. Správnost této představy dokládá fakt, že například v lidské sítnici a vnitřním uchu pracují stejné geny a jejich postižení vede k poruchám zraku i sluchu. Výzkum na medúze čtyřhrance dává odpověď, co právě tyto dva zdánlivě „nezávislé“ smysly spojuje.
Dobré oko, špatný zrak
Příroda vybavila medúzu čtyřhranku poměrně dokonale stavěným okem. Podobně konstruované oko zajišťuje pod vodou ostrý zrak sépiím, chobotnicím nebo rybám. Tito tvorové mají oko mnohem vyklenutější než obyvatelé souše, protože se musejí vypořádat se specifickými optickými vlastnostmi vodního prostředí. Někteří živočichové řeší dokonce problém vidění na vzduchu a ve vodě rozdělením oka na dvě části, z nichž jedna se dívá pod hladinou a druhá je přizpůsobena sledování světa mimo vodní živel. Platí to například o vodních broucích vírnících nebo o rybách rodu Anableps z Jižní Ameriky.
Oko medúzy Tripedalia cystophora jako kdyby zapomnělo na optické zákonitosti vodního světa. Evoluce je zformovala zdánlivě úplně chybně. Medúza se s ním nedomůže zaostřeného obrazu a ten se tak na její sítnici promítá jen rozmazaný. „Je to jako kdyby se na svět díval krátkozraký člověk bez brýlí,“ komentuje kvality zraku „své“ medúzy dr. Kozmík.
Vybíravý lovec
Zdánlivá chyba evoluce je ve skutečnosti velmi účelná. Medúze špatný zrak vyhovuje, protože je povznesena nad detaily. Patří k nemnoha druhům medúz, jež si opatřují potravu aktivním lovem. Hledá kořist, kterou pronásleduje a nakonec uchvátí. Droboučké tvory, jako je třeba mikroskopický plankton, však okázale ignoruje. Chabým zrakem odhalí jen to, co potřebuje, tedy tvory dost velké na to, aby se je vyplatilo štvát, ulovit a sežrat. K rozeznávání těchto tvorů v detailně vykresleném obraze svého okolí není vybavena. Její nervovou soustavu tvoří nervový prstenec a nervové uzliny spojené s očima. Ostrý obraz z dokonale fungujícího oka by s pomocí této chabé výbavy zpracovat a vyhodnotit nedokázala. Rozmazané šmouhy ale zvládne.
Pravidlo, že méně je někdy více má při vyhodnocování komplikovaných obrazů v přírodě obecnější platnost. S obrazem světa načrtnutým jen v hrubých obrysech se úplně spokojí i letící hmyzu, který pro základní orientaci a pozorování obzoru rovněž nepotřebuje detaily.
Co kdo vidí?
Člověk a spolu s ním i ostatní primáti vnímají svět v barvách od modré po červenou, tedy světlo s vlnovou délkou zhruba od 400 do 700 nanometrů.
Podobně vidí barvy i oko ptáků, i když to má citlivost mírně posunutu k modrým barvám.
Hlubinné ryby mají oči citlivé výhradně na světlo modré barvy, které proniká pod mořskou hladinu nejhlouběji.
Motýli vidí ultrafialové světlo s vlnovou délkou kratší než 400 nanometrů, ale nevidí červenou.
Někteří hadi vnímají široké spektrum světla od ultrafialové až po infračervenou (nad 700 nanometrů). Stejné spektrum citlivosti mají i oči mnohých ryb.
Jedovatý příbuzný
Medúza čtyřhranka Tripedalia cystophora je neškodným příbuzným smrtících medúz, obývajících vody při australském pobřeží. Ty jsou schopny zabít i člověka. Australské čtyřhranky patří k nejjedovatějších tvorům naší planety. Mají žahavé buňky nejen na dlouhých ramenech, ale na celém těle. Silou žahavých buněk strčí do kapsy všechny láčkovce. Stačí, aby se člověk takové medúzy jen dotkl při koupání a na zasaženém místě se rychle objeví otoky a puchýře. Někdy se proto těmto medúzám přezdívá „mořské vosy“ nebo „ohnivé medúzy“.
Jed ze žahavých buněk vyvolává silné křeče. Zasažený plavec je bezprostředně ohrožen na životě. Pokud se neutopí v důsledku křečí, může jej zabít samotný jed. Nejjedovatější zástupce těchto medúz Chironex fleckeri má v těle dostatek toxinu na to, aby zabila 60 lidí. Člověk zasažený touto medúzou nemá bez protijedu šanci na přežití. Nejde přitom o nijak nápadného tvora. Zvonec této medúzy měří až 20 cm. Jejích patnáct ramen se táhne do délky 3 metrů.
Oko jako zmetek
Ponechme stranou fakt, že nad optickými vlastnostmi lidského oka by se každý optik pohrdlivě ušklíbl. Jeho vady při zobrazování koriguje mozek tak dokonale, že se můžeme na zrak bez obav spolehnout. Stejně tak se až v mozku dostává do správné polohy převrácený obraz, který zachytí sítnice našeho oka.
Oko obratlovců však má jednu závažnou konstrukční vadu, kterou lze považovat za „omyl přírody“. Vrstva světločivných buněk sítnice, čípků a tyčinek, leží pod vrstvou nervových buněk, které snímají signál zachycený sítnicí. Světlo tedy nejprve prochází nervovými buňkami, které jsou ke světlu necitlivé, a teprve přes ně se prodere k buňkám, jež jsou určeny k jeho zachycení.
Je zajímavé, že oko hlavonožců takovým konstrukčním nedostatkem netrpí. U něj přicházejícímu světlu leží jako první v cestě světločivné buňky a za nimi jsou pak uloženy nervové buňky odvádějící signál zachyceného světla do mozkových uzlin.
