sawanno, ojczyzno moja

albo wszyscy jesteśmy Botswańczykami


Organizmy żywe stanowią rezultat milionów lat ewolucji, czyli ciągłego procesu skutkującego wzrastającym dostosowaniem do środowiska, w jakich przyszło im żyć. Dotyczy to tak oczywistych cech jak stosowna budowa anatomiczna związana z właściwym dla gatunku sposobem poruszania się, pokrycie skóry, ale także narządy zmysłów. To dzięki łuskom i śluzowi pokrywającemu ich ciała, płetwom i układowi szkieletowemu, skrzelom umożliwiającym wymianę gazową w środowisku wodnym czy wreszcie linii bocznej ryby czują się w wodzie przysłowiowo. Nie inaczej jest ze współczesnym człowiekiem rozumnym, nagą małpą w garniturze, przypuszczalnie dzieckiem afrykańskiej sawanny sprzed milionów lat. Nasze ciała, ukształtowane w palącym słońcu terenów dzisiejszej Botswany, okazują się być podobnie zaskakująco dobrze dostosowane to tamtejszych warunków, nieco gorzej zaś do współczesnego środowiska życia, czyli właściwie całej kuli ziemskiej, w przyszłości przypuszczalnie także przestrzeni kosmicznej. Widać to między innymi na przykładzie naszego narządu wzroku.

Pokaż mi swoje oczy, a opowiem ci o rzeczach, które widziały

Oczy, nasz narząd wzroku, w swej mocno skomplikowanej i nieintuicyjnej konstrukcji, składają się z wielu typów wysoce wyspecjalizowanych komórek ułożonych na siatkówce w wielowarstwową strukturę przez którą światło musi się przedrzeć, byśmy mogli w ogóle mówić o widzeniu. Jest wśród nich około 90 milionów pręcików, odpowiadających za widzenie nocne, spostrzeganie ruchu i reagujących głównie na światło rozproszone. Za widzenie barwne odpowiadają komórki światłoczułe zwane czopkami, występujące w trzech rodzajach, reagujących na fale świetlne z różnych zakresów długości - długiego, średniego i krótkiego, co interpretujemy jako kolory: czerwony, zielony i niebieski (to im odpowiada model RGB).

Budowa narządu wzroku odpowiada trybowi życia, sposobowi zdobywania pokarmu i ogółem środowisku w jakim dane zwierzę żyje. Stąd kocia zdolność do dobrego widzenia w ciemności, widzenie w zakresie promieni UV przez pszczoły czy niezwykłe właściwości oczu ryb głębinowych, pozwalające widzieć im w warunkach światła rozproszonego przez wodę. Nasz narząd wzroku, podobnie jak u goryli i szympansów, dzięki obecności takiego a nie innego zestawu komórek światłoczułych, umożliwia nam dość dobre rozróżnianie kolorów, przypuszczalnie w związku z obecnością owoców i innych części roślin w naszej diecie. Ilość czopków każdego rodzaju ("kolorów") u poszczególnych gatunków nie jest przypadkowa, i także w prosty sposób wynika ze środowiska w jakim żyją. Gasper Tkačik z University of Pennsylvania, fizyk, kierujący zespołem stojącym za artykułem, nazywa to hipotezą wydajnego kodowania (efficient coding hypothesis).

Czopki i pręciki (cieńsze).

Jeśli rozejrzeć się dookoła, nasz sposób widzenia nie wydaje się być kodowany zbyt efektywnie. Na zakodowanie wody i nieba, w dużej mierze składających się na nasz krajobraz, wystarczyć musi raptem 6% światłoczułych komórek, zdolnych do wykrywana koloru niebieskiego, w dodatku umieszczonych na peryferiach pola widzenia. Natomiast liczba czopków zielonych i czerwonych jest w dużym stopniu zróżnicowana międzyosobniczo (proporcje wahają się od 1:4 do 15:1, nie powodując przy tym pogorszenia widzenia barw).

Badacze postanowili poszukać rozwiązania problemu u źródła. Wybrali się do delty Okawango w Botswanie, w miejsce mające przypuszczalnie wiele wspólnego z kolebką rodzaju ludzkiego, wciąż zamieszkiwanym przez inne naczelne. Stworzyli dostępną w internecie bazę ponad 5000 fotografii dokumentujących środowisko naszej pradawnej ojczyzny. Zdjęcia przedstawiają typowe dla sawanny scenki rodzajowe z udziałem pawianów, ulubione dla człowieka krajobrazy otwartych przestrzeni z licznymi zadrzewieniami, spaloną słońcem ziemię, zieleń afrykańskiej roślinności, krajobrazy przy wodopojach czy wreszcie potencjalne źródła pokarmu. Pokrywa się to zresztą z wynikającymi z innych badań ludzkimi upodobnianiami do pewnych scenerii. Te same miejsca fotografowano przy różnym nasłonecznieniu i przy zastosowaniu różnych ustawień aparatu. Przy użyciu algorytmu modelującego działanie ludzkich czopków i szacującego ilość fotonów różnych długości fal wychwytywanych przez aparat fotograficzny (dzięki zastosowaniu widocznego na fotografiach wzorca barw), opracowali taką konfigurację czopków, która funkcjonowałaby w danym środowisku w sposób możliwie najbardziej wydajny.

Wyniki nie przyniosły zaskoczenia. Przewidywania wynikające z zastosowania algorytmu w dużej mierze pokrywały się z rzeczywistym rozkładem czopków w ludzkim oku. Nasze oczy kodują środowisko w jakim powstały w sposób maksymalnie efektywny. Niebieskie komórki światłoczułe wychwytują ze środowiska relatywnie mniejsze ilości fotonów, nie miałaby więc sensu większa ich ilość i umieszczanie ich w centrum pola widzenia, jako, że soczewkowy kształt ludzkiego oka wpływa tłumiąco na fale krótkie (ludzie posiadają również dodatkowy pigment tłumiący fale krótkie, chroniący oko przed promieniami UV). Jednocześnie, ilość informacji wychwytywanych z falami średnimi i długimi (zielone i czerwone) nie zależy od proporcji pomiędzy odpowiednimi komórkami światłoczułymi, nie ma więc potrzeby dokładnego regulowania ich liczby.

Dom jest tam, gdzie środowisko jest dopasowane chromatycznie. Osobiście mam
słabość do tego typu krajobrazów, co oczywiście nie powinno dziwić.

Widzenie trójbarwne ewoluowało przypuszczalnie w celu umożliwiania naszym przodkom odnajdywania dojrzałych owoców wśród roślinności (owoce pewnie pomogły, jako, że zależy im na rozsiewaniu nasion). Wrażliwość czopków naszego oka na konkretne długości fal wskazują także, iż najlepiej dostosowane są do pracy w warunkach przyćmionego światła, być może zmroku lub poranka. W ten sposób, jak to zwykle w naturze bywa, oko skonstruowane jest w optymalny sposób, przy jednoczesnym ograniczeniu zasobów. Bo każdy zasób energii zużyty na zbędne komórki światłoczułe to zasób, który mógł zostać użyty np. przy zdobywaniu partnera.

Świetnym pomysłem na badanie byłoby przyjrzenie się różnicom w proporcjach pomiędzy poszczególnymi rodzajami czopków u grup ludzi od dawien dawna zamieszkujących specyficzne środowiska - Innuitów, przedstawicieli ludu San, członków amazońskich plemion czy np. Berberów.

grafika:

oko - 2002ttorry

czopki i pręciki - Eye Design Book

sawanna - galeria stworzona przed badaczy, dostępna na licencji

źródło:

Garrigan P, Ratliff CP, Klein JM, Sterling P, Brainard DH, & Balasubramanian V (2010). Design of a trichromatic cone array. PLoS computational biology, 6 (2) PMID: 20168996

Artykuł dostępny jest w Open Access. PLoS Computational Biology