W 1891 roku niemiecki zoolog Seliq Exner w swojej książce Die Physiologie der Facettirten Augen von Krebsen und Insekten (Fizjologia oczu złożonych skorupiaków i owadów) opisał nietypową budowę oka morskiego skorupiaka o nazwie Copilia quadrata. Intrygujący, acz niejasny, opis sprowokował wiele lat później naukowców z Wielkiej Brytanii do dokładnych badań tego dziwnego zwierzęcia. Oko Copilia przypomina konstrukcją pierwsze inżynierskie rozwiązania stosowane w… telewizorach.
Według opisu z końcówki XIX wieku Copilia miała parę oczu składających się z dwóch soczewek: jednej leżącej na powierzchni i drugiej leżącej we wnętrzu ciała zwierzęcia, mniej więcej w połowie jego długości. Najbardziej uderzający był, jak pisał Exner, „stały i żwawy ruch” wewnętrznej soczewki.
Opis sporządzony przez niemieckiego zoologa był na tyle intrygujący, że wciągnął Brytyjczyków w poszukiwania przedstawicieli gatunku. Nie było to proste, w wodzie z 14 połowów przeprowadzonych w zatoce Neapolitańskiej na głębokości 200 m udało im się znaleźć 9 osobników. Niby nie tak mało, jednak zważmy, że mowa tu o zwierzęciu praktycznie przezroczystym, wielkości maksymalnie 3 mm, z czego połowę stanowi cieniutki „ogon” (ang. tail, choć słowo to w języku polskim zarezerwowane jest dla kręgowców). Złowione skorupiaki poddano dokładnym badaniom, które opublikowano w artykule „The curious eye of Copilia”, w prestiżowym Nature w 1964 roku.
Copilia quadrata
Źródło: Biodiversity HeritageLibrary, CC BY 2.0, Wikimedia Commons
Copilia quadrata należy do widłonogów, maleńkich skorupiaków zamieszkujących powszechnie wody słone i słodkie. Ciało samic Copilia jest przejrzyste, dzięki czemu pod mikroskopem widać wewnętrzne struktury w działaniu, także oka. Dwie soczewki, ułożone jedna nad drugą, połączone są delikatną stożkowatą błoną. Dolna soczewka połączona jest ze zgiętą w łuk pomarańczową strukturą, będącą receptorem. Z niego prowadzi pojedynczy nerw do mózgu skorupiaka. Zewnętrzna soczewka jest sztywno zakotwiczona w skorupce pokrywającej zwierzę. Za to wewnętrzna pozostaje zawieszona na systemie elastycznych więzadeł i mięśni, które zawiadują ruchem soczewki i przyklejonego do niej receptora. Wewnętrzne soczewki obu oczu wykonują stale oscylacyjne ruchy niezależne od ruchów zwierzęcia.
Exner opisał budowę oka tego skorupiaka 5 lat po tym, jak niemiecki wynalazca Paul Nipkow opatentował „elektryczny teleskop”, który w dużej mierze przyczynił się do rozwoju telewizji. Oba te twory opierają się na podobnej idei: tworzenia obrazu metodą skanowania.
Tarcza Nipkowa była podstawowym elementem pierwszych telewizorów i kamer telewizyjnych. Urządzenie składało się z obracającej się tarczy z serią spiralnie położonych otworów. Gdy tarcza się obracała, każdy otwór przesuwał się po innej linii obrazu, skanując go w ten sposób od góry do dołu. Światło, przechodzące przez otwory, trafiało na światłoczułą komórkę, która zamieniała zmienną intensywność światła na proporcjonalnie zmienny sygnał elektryczny. Sygnał był następnie przesyłany z odbiornika, w którym znajdowały się identyczna, działająca w tym samym tempie, tarcza i układ odwracający sygnał na świecące punkty, odbierany przez ludzkie oko jako ruchomy obraz. Tarcza Nipkowa działała zatem jak mechaniczny skaner, który rozkładał obraz na pojedyncze punkty w czasie.
Brytyjscy naukowcy badający skorupiaka uznali, że układ soczewek i ich ruch przypomina rozwiązanie stosowane w mechanicznej telewizji skaningowej stosującej dysk Nipkowa.
Dolna soczewka w oku Copilia porusza się charakterystycznym ruchem przypominającym ząbki piły, skanuje otoczenie punktowo, po kolei, trochę jak dzieje się to w trakcie czytania – kolejno następujące po sobie litery składamy w słowa, śledząc tekst od góry do dołu kartki. Do takiego sposobu rejestracji obrazu wystarczy jeden receptor i jeden nerw wzrokowy, zupełnie inaczej niż w ludzkim oku, w którym znajduje się około 126 milionów receptorów i wiele nerwów składających się w gruby „kabel” nerwu wzrokowego. Jednak aby otrzymać precyzyjny obraz w układzie jednoreceptorowym, potrzebny jest solidny system przetwarzania, którego u maleńkiego skorupiaka nie ma.
Proces ewolucji weryfikuje różnego rodzaju rozwiązania. Niektóre z nich znikły wraz z ginącymi gatunkami, o wielu nigdy się nie dowiemy. Czasem można jednak podejrzeć, jakie „pomysły” generuje natura. Wciąż trwają, choć nie rozwinęły się masowo i nie utrwaliły u wyższych organizmów. Co najważniejsze, widzenie Copilia quadrata oparte na skanowaniu z jej prostym układem nerwowym może nie daje dobrej jakości obrazu, jednak wychwytuje ruch. Jest wystarczające dla tych niewielkich skorupiaków, by uniknąć tego, co się rusza. Jest kluczowe do przeżycia, podobnie jak dla miliardów podobnych stworzeń nieustannie narażonych na pożarcie przez drapieżniki.
I dobrze, że system jest na tyle mocny, by przetrwać, a na tyle wadliwy, by zostać pożartym. Bo maleńkie skorupiaki i ich larwy stanowią krytyczny element w sieci pokarmowej wód. Olbrzymia obfitość tych stworzeń, związana z ich mizerną szansą na przeżycie, umożliwia rozkwit życia w innych, bardziej złożonych formach: stawonogów, gąbek, jamochłonów, mięczaków i ryb. A na końcu, pośrednio, ssaków. Także takich jak ja.
„The curious eye of Copilia” Gregory R.L., Ross H.E. i Moray N. Nature 201 (1964)