Øjets fantastiske evolution
Du og jeg, fluen og torsken, hvalen og billen stammer alle fra et bittelille og behåret øjenæble, som svømmede rundt i havet for hundreder af millioner år siden.

Her kan du se, hvordan menneskernes og brachiopodernes fælles forfader ligger meget langt tilbage på det store evolutionære stamtræ. (Illustration: Andreas Hejnol)

Her kan du se, hvordan menneskernes og brachiopodernes fælles forfader ligger meget langt tilbage på det store evolutionære stamtræ. (Illustration: Andreas Hejnol)

Opdagelsen af det mest primitive system til at opfatte lys i en flercellet organisme ændrer nu forståelsen af synets udvikling.

En af overraskelserne er, at et lille havdyr uden rygrad har de samme celler i øjet som os mennesker.

Øjet er et finurligt instrument. Hvordan kan noget så avanceret og kompliceret have udviklet sig ved hjælp af evolutionens enkle regler om naturlig selektion.

Evolutionsteoriens far Charles Darwin brugte øjet som et eksempel på sammensatte strukturer, som det ved første øjekast kan virke absurd at forklare på den måde.

Hans forståelse af vores intuitive trang til at forestille os en intention, en plan, et intelligent design bag livets mange komplicerede og særegne former hjalp ham måske til at visualisere sig udviklingen trin for trin.

Darwin forklarede, hvordan øjet må være blevet til gennem utallige gradvise overgange over millioner og milliarder af år, fordi det hele tiden gav nye fordele i kampen for at overleve, og han dokumenterede eksisterende mellemformer hos forskellige dyr.

Manglende mellemled

Mens Darwin fik mekanismerne bag livets udvikling på plads, fortsætter vore dages biologer arbejdet med at kortlægge de mange former og overgange. De finder således stadig ny viden om både levende og uddøde dyr.

Et af de hidtil manglende mellemled i øjets udvikling er nu fundet. Andreas Hejnol fra Sars International Centre for Marine Molecular Biology i Bergen er en af forskerne bag opdagelsen.

Den lidt humoristiske konklusion er, at vores urophav, som vi har til fælles med alle dyr, var et lillebitte svømmende øjenæble.

»Vi ved, at skabningen var omtrent en millimeter stor. Den havde en ryg og en mave og en slags hjerne på forsiden. Den havde ingen ben og var sandsynligvis dækket af små hår, som den brugte til at svømme med,« forklarer Hejnol.

Fandt uventet celletype hos larven

Udgangspunktet for antagelsen om det svømmende øjenæble fandt forskerne hos nogle små skabninger i havet, som kaldes brachiopoder.

Brachiopoder bliver 1-3 centimeter lange som voksne og lever fastgroet på stenunderlag på havbunden. Fossiler viser, at de relativt uændret har set sådan ud i over 530 millioner år. Som larver er de imidlertid dygtige svømmere.

De har øjne i form af små, mørke prikker under huden, som er knyttet til en hjernelignende klump af nerveceller. Ved hjælp af dette system kan larven svømme mod havoverfladen, hvor lyset er mere intenst.

Da forskerne undersøgte disse larveøjne, fandt de en uventet celletype.

»Alle dyr har et af to forskellige visuelle systemer – det ciliære eller det rhabdomære,« fortæller Hejnol.

Dyreverdenen kan inddeles i to større grupper; hvirveldyrene (herunder mennesket) og de hvirvelløse dyr (herunder brachiopoderne).

Forskellige trin i øjets udvikling. Figur A viser brachiopod-embryoets system. De blå celler er de lysfølsomme; de reagerer på lys, men kommunikerer ikke informationen videre til andre celler. Figur B viser larven hos den marine orme Platynereis' system. Her registrerer den blå celle lyset, og kommunikerer det videre til en anden celle i nærheden. Figur C viser systemet hos brachiopod-larven. Her går signalet gennem en samling nerveceller, før det går til andre celler. Figur D viser systemet hos os mennesker. Signalet går til hjernen, og derefter for eksempel ud til musklerne. (Figur: Andreas Hejnol)

Hidtil har man antaget, at de ciliære visuelle system har hørt til i den ene gruppe, mens det rhabdomære har hørt til i den anden.

Analyserne, som Hejnol og hans kolleger fra Tyskland og Hawaii har foretaget, viser imidlertid, at brachiopod-larven har ciliære fotoreceptorer – den samme type, som vi mennesker har.

»Det fortæller os, at den fælles stamfader, vi har med for eksempel fluerne, må have haft begge visuelle systemer. Det er første gang, vi har fundet det,« siger han.

Pigge eller haler

Der er flere forskelle på ciliære og rhabdomære fotoreceptorer. Blandt andet har de forskellige ydersider.

»For at gøre det lettere at opfange lyset er de begge formet med henblik på at øge cellens overflade. Men de gør det på to forskellige måder,« forklarer Hejnol.

Rhabdomære fotoreceptorer har en masse gevækster, nærmest pigge, som kaldes mikrovilli. Ciliære fotoreceptorer har derimod en lang forlængelse, nærmest som en hale, som hedder fimrehår.

»Disse celletyper ser helt forskellige ud, så vi kan identificere dem på formen. Men vi har også lavet molekylære analyser,« siger Hejnol.

Hvert øje på brachiopod-larven består af to celler, som er koblet til den hjernelignende struktur. På den måde kommunikerer disse lysfølsomme celler med de dele af larvekroppen, som styrer svømningen.

Efter at forskerne havde opdaget den uventede celletype hos brachiopod-larven, bestemte de sig for også at lede efter den i embryoet.

De opdagede cellernes molekylære signatur – en aktivering af de rigtige lysfølsomme gener – allerede 36 timer efter befrugtningen.

På dette stadie er brachiopoden ikke andet end en klump på omkring 800 celler og på størrelse med et sandkorn.

»Vi fandt, at omtrent 250 af cellerne havde aktiveret disse gener,« forklarer Hejnol.

Det indebærer, at de kan reagere på lys, men i en så primitiv, lille celleklump findes der ikke noget nervesystem. De lysfølsomme celler kan altså ikke sende signaler om lyset til andre celler.

»Men de kan reagere, når lyset rammer dem,» siger Hejnol.

Øjnene begyndte måske som svømmende øjenæbler

Så blev forskerne nysgerrige efter at finde ud af, om brachiopod-embryoet selv var i stand til at bevæge sig efter lyset. Det er nemlig dækket af fimrehår, som rytmisk bevæger sig i én retning og får embryoet til at svømme i et spiralmønster.

De placerede en samling brachiopod-embryoer i mørke og lyste på halvdelen af beholderen. Efter 20 minutter var der dobbelt så mange embryoer på den oplyste side som på den mørke.

Et brachiopod-embryo i forskellige stadier. Arten heder Terebratalia transversa. Det mørke felt er kunstigt farvet og viser proteinet XXXXX (ciliært) opsin. På alle disse stadier kan skabningen svømme og reagere på lys. Det nederste billede viser larvestadiet. (Foto: Andreas Hejnol)

»Vi tror, at fimrehårene på de lysfølsomme celler bevæger sig langsommere, når de bliver ramt af lys, hvilket øger sandsynligheden for, at de bliver der, hvor lyset er,« siger Andreas Hejnol.

Han og forskerne konkluderer, at det er muligt, at vores øjne begyndte som svømmende øjenæbler.

Først senere blev der indført en arbejdsdeling, hvor nogle celler fik til opgave at opfange lyset for derefter at sende signaler til sine naboceller.

Og først meget senere blev der dannet systemer, hvor disse specialiserede celler sendte signaler til hjernen.

»Det er som et manglende led i en serie med forskellige grader af kompleksitet mellem lysfølsomhed og adfærd,« siger han.

Siden begge de visuelle systemer eksisterede hos den fælles forfader til på hvirveldyrene og de hvirvelløse dyr, bliver vi nødt til at se på kompleksitet i evolutionær udvikling i et nyt lys, mener Andreas Hejnol.

»Udviklingen går ikke nødvendigvis fra det primitive til det højerestående, som den generelle opfattelse ellers længe har været. Det har vi set mange gange. Nu tænker vi ikke længere på evolutionen som en stige, hvor mennesket er øverste trin,« siger han.

Tidligere har man forestillet sig, at forfaderen til både hvirveldyrene og de hvirvelløse dyr så med rhabdomære celler, men at de samtidig havde ciliære celler dybt inde i hjernen.

Man har nemlig fundet ciliære celler på denne måde i organismer som marine orme og bier.

Som at se ind i fortiden

Man har forestillet sig, at de ciliære celler bevægede sig udad mod kroppens overflade efterhånden som hvirveldyrene udviklede sig, hvorefter de blev det vigtigste redskab for synet.

»Vores resultater viser, at disse systemer kan have været mere fleksible op gennem udviklingen, end vi hidtil har troet,« siger Hejnol.

Det betyder, at forskellige organismer på begge sider af dyrenes stamtræ kan have vekslet mellem at bruge det ciliære og det rhabdomære system.

Ifølge Hejnol er det spændende at forestille sig, hvordan vores fælles oprindelse så ud.

»Det er som at se ind i fortiden. Når du forestiller dig, hvor enkel den er, og tænker på, hvordan kompleksiteten i forskellige dyr har udviklet sig, er det næsten som at rekonstruere en kriminalsag,« mener han.

»Jeg har nogle orme her på mit laboratorium, som jeg forestiller mig kan ligne denne tidlige organisme. Når jeg ser på dem, tænker jeg: okay, det var sådan, vi så ud i starten,« slutter Andreas Hejnol.

© forskning.no. Oversat af Magnus Brandt Tingstrøm

Darwin om øjets udvikling

Organs of extreme perfection and complication. To suppose that the eye, with all its inimitable contrivances for adjusting the focus to different distances, for admitting different amounts of light, and for the correction of spherical and chromatic aberration, could have been formed by natural selection, seems, I freely confess, absurd in the highest possible degree.

Yet reason tells me, that if numerous gradations from a perfect and complex eye to one very imperfect and simple, each grade being useful to its possessor, can be shown to exist; if further, the eye does vary ever so slightly, and the variations be inherited, which is certainly the case; and if any variation or modification in the organ be ever useful to an animal under changing conditions of life, then the difficulty of believing that a perfect and complex eye could be formed by natural selection, though insuperable by our imagination, can hardly be considered real.

How a nerve comes to be sensitive to light, hardly concerns us more than how life itself first originated; but I may remark that several facts make me suspect that any sensitive nerve may be rendered sensitive to light, and likewise to those coarser vibrations of the air which produce sound.

Fra Origin of the Species, kapitel 6

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.