Kodėl gamtoje egzistuoja tiek daug skirtingų akių tipų – nuo paprastų šviesai jautrių receptorių iki sudėtingų, kamerą primenančių regos sistemų? Kodėl vienų gyvūnų akys nukreiptos į priekį, kitų – į šonus, o kai kurie organizmai mato platesnį spalvų spektrą nei žmogus? Šiuos klausimus ilgą laiką kėlė biologai ir evoliucijos tyrėjai. Atsakymų paieškai mokslininkai pasitelkė ne tik stebėjimus gamtoje, bet ir pažangius kompiuterinius modelius. Naujausias tyrimas parodė, kad regos įvairovę nulėmė ne atsitiktinumas, o labai konkrečios aplinkos užduotys ir glaudus akių bei smegenų bendras vystymasis.
Kodėl skirtingų rūšių akys tokios nevienodos
Manoma, kad akys evoliucionavo kaip priemonė padėti organizmams rasti maistą ir išvengti pavojų. Tačiau vien ši bendra funkcija nepaaiškina didžiulės regos sistemų įvairovės. Skirtingos rūšys susiduria su nevienodais iššūkiais: vieniems svarbiausia pastebėti grobį iš toli, kitiems – orientuotis sudėtingoje erdvėje ar laiku aptikti plėšrūną.
Plėšrūnų akys dažnai nukreiptos į priekį, nes tai leidžia geriau vertinti atstumą ir tiksliai atakuoti. Žolėdžiai gyvūnai dažniau turi į šonus nukreiptas akis, kurios suteikia platesnį matymo lauką ir padeda laiku pastebėti pavojų. Skiriasi ir spalvų suvokimas: kai kurios rūšys mato daug platesnį šviesos spektrą, o kitos – tik ribotą spalvų diapazoną. Šie skirtumai atspindi prisitaikymą prie konkrečių gyvenimo sąlygų.
Regos evoliucijos tyrimas kompiuterinėje simuliacijoje
Siekdami geriau suprasti, kaip tokia įvairovė galėjo atsirasti, mokslininkai iš Massachusetts Institute of Technology sukūrė kompiuterinę gyvybės simuliaciją. Skirtingai nei ankstesni modeliai, kurie regą analizavo atskirai nuo kitų gebėjimų, ši simuliacija įtraukė ir aplinką. Tai svarbu, nes realūs organizmai visada sąveikauja su pasauliu, o jų jutimo sistemos vystosi reaguodamos į išorinius dirgiklius.
Skaitmeninėje aplinkoje buvo sukurti agentai su itin paprasta regos sistema – vienu fotoreceptoriumi, galinčiu „matyti“ tik vieną tašką. Kiekvienas agentas turėjo primityvų neuroninį tinklą, veikiantį kaip supaprastintos smegenys. Pradinės agentų savybės šiek tiek skyrėsi, taip imituojant genetinę įvairovę, būdingą natūralioms populiacijoms.
Natūrali atranka skaitmeninėje aplinkoje
Šioje simuliacijoje agentai turėjo atlikti tas pačias pagrindines užduotis kaip ir gyvi organizmai: rasti maistą ir išvengti pavojų. Maistas buvo vaizduojamas kaip žalias objektas, o grėsmės – kaip raudoni „nuodingi“ objektai. Agentai judėjo labirinte, mokėsi iš savo patirties, o sėkmingesni sprendimai buvo perduodami kitoms kartoms.
Veikė natūralios atrankos principas: regos ir elgsenos savybės, padėjusios išgyventi, buvo išsaugomos, o neefektyvios – išnyko. Laikui bėgant simuliacijoje atsirado agentų su dviem ar daugiau „akių“, geresne regos raiška ir labiau specializuotomis regos funkcijomis. Atsitiktinės mutacijos dar labiau didino įvairovę, panašiai kaip tai vyksta gamtoje.
Kaip kartu vystėsi akys ir smegenys
Vienas svarbiausių tyrimo rezultatų – įrodymas, kad akys ir smegenys vystėsi kartu. Apie penkiasdešimtą simuliacijos kartą kai kurie agentai išsiugdė binokulinę regą, kuri padėjo tiksliau rasti maistą ir išvengti pavojų. Šie agentai turėjo aukštą regos raišką, bet mažiau išvystytą periferinį matymą, nes jis buvo mažiau svarbus jų užduotims.
Kiti agentai, orientuoti į navigaciją sudėtingoje erdvėje, išsiugdė į vabzdžių sudėtines akis panašią regą. Ji leido geriau suvokti erdvę, tačiau smulkios detalės buvo matomos prasčiau. Vėlesnėse simuliacijos stadijose atsirado ir lęšiai, kurie pagerino šviesos surinkimą ir regos aštrumą. Bandymas kompensuoti prastesnę regą didesnėmis „smegenimis“ nebuvo sėkmingas – geresniems rezultatams reikėjo, kad vystytųsi ir regos organai, ir neuroninis apdorojimas.
Ką tai reiškia evoliucijos mokslui
Tyrimo autoriai padarė kelias svarbias išvadas. Pirma, regos sistemų įvairovę lemia konkrečios užduotys ir aplinkos spaudimas. Antra, optinės naujovės, tokios kaip lęšiai, gali atsirasti natūraliai, siekiant suderinti šviesos surinkimą ir vaizdo tikslumą. Trečia, egzistuoja aiškus ryšys tarp regos raiškos ir smegenų dydžio, patvirtinantis senas biologines hipotezes.
Ateityje tokios simuliacijos gali tapti galingu įrankiu tikrinant evoliucijos teorijas ir spartinant atradimus regos moksle.
Nuotraukos asociatyvinės © Ideogram @ Midjourney
