Джереми Тейлор - Здоровье по Дарвину - Почему мы болеем и как это связано с эволюцией

Главное преимущество такой сетчатки, считают Крёгер и его коллега Оливер Бильмайер, заключается в экономии пространства. Крёгер указывает на глаза небольших рыб, которые нуждаются в остром зрении, но имеют маленькое тело. В их глазах пространство между хрусталиком и сетчаткой, которое у других позвоночных заполнено стекловидным телом, почти полностью занято клетками сетчатки, обрабатывающими зрительную информацию, поступающую к ним от фоторецепторов. Если бы все эти клетки были расположены позади фоторецепторного слоя, как при неинвертированной конструкции, глаз должен был бы значительно увеличиться в размере, чтобы вместить их. Так, Крёгер и Бильмайер рассчитали, что самый маленький глаз, который может вместить инвертированную сетчатку толщиной 100 микрометров (мкм), должен иметь диаметр 330 мкм и хрусталик диаметром 130 мкм. При том же размере и фокусном расстоянии хрусталика глаз с неинвертированной сетчаткой должен иметь наружный диаметр 420 мкм и быть в два раза большего объема. Таким образом, если вы хотите иметь острое зрение, но выпученные глаза вам не по вкусу, используйте перевернутую сетчатку. Поскольку предки большинства групп животных были очень небольшого размера, инвертированная сетчатка давала им решающее преимущество. Личинки многих современных животных также крайне малы, но нуждаются в хорошем зрении, чтобы выжить. Разумеется, по мере увеличения размера животных компактность перевернутой сетчатки перестает играть столь важную роль. Смоделировав упрощенный глаз того же размера, что и человеческий, Крёгер и Бильмайер рассчитали, что инвертированная сетчатка позволяет уменьшить размер глаза на 11,3 процента по сравнению с неинвертированной, и, по их оценке, реальная экономия пространства для человеческого глаза составила всего 5 процентов – не такая уж впечатляющая, но все же значительная цифра с точки зрения эволюции. Еще одним преимуществом такой конструкции является то, что она размещает внешние сегменты фоторецепторов в непосредственной близости к пигментному эпителию сетчатки, что способствует регенерации их зрительного пигмента. Наконец, такая конструкция позволяет хорошо снабжать питательными веществами фоторецепторы с их интенсивным метаболизмом через насыщенную кровеносными сосудами хориоидею, при этом не давая поглощающему свет гемоглобину вставать на пути у входящего света.

Но, пожалуй, наиболее важным свойством перевернутой сетчатки является ее увеличившаяся толщина, что создает возможности для значительного повышения вычислительной мощности. Это означает, что глаз может производить гораздо более сложную обработку визуальной информации, прежде чем сигналы отправляются дальше – через зрительный нерв в головной мозг. Неврологи Тим Голлиш и Маркус Мейстер указывают, что сетчатка позвоночных в действительности содержит пятьдесят различных типов клеток – гораздо больше, чем требуется для выполнения основных зрительных задач, таких как световая адаптация или обеспечение резкости зрения. Многослойную сетчатку позвоночных можно сравнить с продвинутым ноутбуком, подключенным через высокоскоростное соединение Ethernet к мощнейшему центральному мейнфрейму. Существенная часть обработки информации, связанной с обнаружением быстрого движения и осмыслением огромного количества фрагментов поля зрения, полученных в результате скачкообразных движений глаз (саккад), производится именно в сетчатке, а не в мозге позвоночных. Все эти локальные вычисления требуют эффективной коммуникации между нейронами сетчатки и носят скорее аналоговый, чем цифровой характер, – т. е. используют ступенчатый потенциал, а не цифровые сигналы включить/выключить. По словам Крёгера, это обеспечивает фантастическую информационную плотность, о которой разработчики компьютеров могут только мечтать. Окончательный результат, передаваемый от ганглиозных клеток в мозг, преобразуется в цифровую форму, поскольку в ином случае из-за относительно большого расстояния до мозга эти сигналы подвергались бы более сильному искажению.

Хотя в человеческой сетчатке более 100 миллионов фоторецепторов, зрительный нерв состоит всего из 1 миллиона аксонов. Если бы каждый фоторецептор был соединен с головным мозгом отдельным «проводом», зрительный нерв был бы толще, чем диаметр глаза. Но «умная» сетчатка позвоночных, осуществляющая значительную часть предварительной обработки зрительной информации на месте, позволяет избежать этого явного адаптивного недостатка. Это особенно важно для низших позвоночных, которые имеют головной мозг намного меньшего размера, чем млекопитающие, но тем не менее нуждаются в остром зрении, чтобы выжить. Например, Крёгер вовсе бы не удивился, если бы было установлено, что количество нейронов в глазу у крокодила превышает их количество в головном мозге! Птицы особенно наглядно демонстрируют нам преимущества «умной» сетчатки. Чтобы обеспечить маневренность и выносливость при полете, им нужно экономить место и вес везде, где только можно. При этом большинство видов птиц обладает чрезвычайно острым зрением. Их толстая сетчатка позволяет производить еще больше обработки визуальной информации непосредственно на месте, прежде чем передавать ее в относительно небольшой мозг.