Utrata wzroku to jedno z największych nieszczęść, jakie mogą spotkać człowieka. Trudno powiedzieć, co gorsze – oślepnąć czy nie widzieć od urodzenia. Dzisiejsza medycyna w parze z techniką dają jednak nadzieję na stworzenie w przyszłości – być może już niedługo – protezy tego jednego z najwspanialszych wynalazków natury – oka.
Oko należy do najwcześniejszych, a zarazem najpowszechniejszych osiągnięć ewolucji. Złożone oczy posiadały już kambryjskie trylobity przed 500 mln lat, jedne z najstarszych stworzeń na Ziemi. Oko ośmiornicy, przedstawiciela mięczaków, jest niezwykle podobne pod względem budowy do oka ludzkiego. Ale czy rzeczywiście jest to osiągnięcie ewolucji? Teoria ta zakłada stopniowy rozwój jakiejś cechy czy narządu – dobór naturalny działa małymi kroczkami. Innymi słowy, powstanie oka powinno być poprzedzone wielką liczbą etapów pośrednich. I w tym właśnie szkopuł – nie znamy takich brakujących ogniw. Dlatego oko stało się jednym z ulubionych argumentów krytyków teorii ewolucji. Po co komuś – pytają oni – pół albo trzy czwarte oka? Jest to kwestia tzw. nieredukowalnej złożoności, czyli poglądu, że niektóre organy – w tym oko – musiały zostać ukształtowane jednorazowym aktem kreacji, bowiem hipotetyczne etapy pośrednie ich ewolucji nie miałyby odpowiedniej funkcjonalności, a więc nie byłyby przydatne z punktu widzenia ewolucji.
Nawet sam Karol Darwin dostrzegał ten problem. W liście do przyjaciela pisał, że oko przyprawia go o zimny dreszcz. Nie oznacza to jednak, że Darwin uważał, iż „kwestia oka” obala jego teorię. Miął po prostu nadzieję, że rozwój paleontologii doprowadzi do odnalezienia skamieniałości ogniw pośrednich, których istnienie postulował. Tak się jednak nie stało, stąd coraz liczniejsze z czasem głosy, że ich po prostu nie ma i nigdy nie było, bo ewolucja to tylko naukowa spekulacja.
Spojrzenie mięczaka
Bez względu jednak na kłopoty z ewolucją faktem jest, że oczy to wśród ziemskich organizmów standard. Z brakiem oczu mamy najczęściej do czynienia tylko wówczas, gdy uległy one zanikowi u gatunków żyjących w warunkach, w których wzrok nie jest potrzebny. Tak bywa z organizmami zamieszkującymi, na przykład, jaskinie. A także z niektórymi gatunkami głębinowymi w morzach.
Pozostałe zwierzęta nie mogą się obejść bez narządów zdolnych do tworzenia obrazu otoczenia. Z dobrodziejstwa zmysłu wzroku korzystają już te najprymitywniejsze: jamochłony, pratchawce i pierścienice. Najlepiej rozwinięte oczy spotykamy u stawonogów, mięczaków i kręgowców.
Co ciekawe, naukowcy uważają, że wynalazek oczu mógł się pojawiać wielokrotnie w historii żywych organizmów i to niezależnie od siebie. Należy jednak wspomnieć, iż badania genetyczne wskazują na wspólne pochodzenie niektórych genów odgrywających kluczową rolę w wykształcaniu się oczu u mięczaków, stawonogów i kręgowców. Ostatni zatem wspólny przodek tych trzech grup organizmów musiał posiadać molekularną „bazę” do budowy receptorów światła. Dalszy jednak rozwój narządu wzroku w świecie zwierząt poszedł odmiennymi drogami.
I tak – choć, jak już była mowa, oczy głowonogów mają bardzo podobną budowę anatomiczną do oczu kręgowców (w tym ludzi), to powstają w zupełnie inny sposób. W oku kręgowców tylna część gałek ocznych tworzy się w wyniku uwypuklenia mózgu zarodka. W rezultacie siatkówka (część oka odpowiedzialna za zamienianie światła na impulsy elektryczne zrozumiałe dla mózgu) leży najgłębiej, a ponadto przebiega przez nią splot włókien nerwowych odprowadzających owe impulsy do mózgu. Miejsce, przez które przechodzą włókna, to tzw. plamka ślepa – obszar siatkówki nie odbierający bodźców, a więc bezużyteczny, zmarnowany.
Oczy głowonogów powstają inaczej – gałki oczne tworzą się jako wklęśnięcia zewnętrznego listka zarodkowego, dzięki czemu neurony nie muszą przechodzić przez siatkówkę. Oczy ośmiornicy są więc pod tym względem doskonalsze niż oczy człowieka. Ludzkie oko można nawet uznać za instrument optyczny dość nieudolnie skonstruowany. Richard Dawkins w swojej książce Najwspanialsze widowisko świata przytacza nawet opinię niemieckiego uczonego z XIX w., Hermanna von Helmholtza, że jest to instrument obciążony tak poważnymi wadami, iż gdyby był sprzedawany – należałoby go reklamować u optyka, który go sporządził. Możemy go z powodzeniem używać tylko dzięki odpowiedniemu „oprogramowaniu”, jakim dysponuje nasz mózg.
Złożone nie gorsze
Różnice w budowie oczu idą w parze z różnorodnością postrzegania świata przed rozmaite gatunki. Nawet wyposażone w tak doskonałe oczy głowonogi mają pośród siebie gatunek widzący gorzej. To łodziki, spokrewnione z licznymi niegdyś w paleozoicznych i mezozoicznych morzach amonitami. Łodzik ma oczy równie elegancko zbudowane, jak inne głowonogi, ale brakuje w nich soczewki. Mówiąc w przenośni, działają one jak prymitywna camera obscura, a nie jak nowoczesny aparat fotograficzny. Tym niemniej działają, co może stanowić odpowiedź na wspomniane wyżej wątpliwości antyewolucjonistów, po co komu pół oka? Otóż, co oczywiste, posiadanie nawet niedoskonałego zmysłu wzroku jest dla łodzika korzystniejsze niż jego całkowity brak; pół oka jest najwyraźniej lepsze od braku oka. W każdym razie, w określonym środowisku, w którym żyje łodzik.
Atrybutem owadów, o czym łatwo się przekonać spojrzawszy na muchę, są zazwyczaj ogromne oczy złożone. Pod silnym powiększeniem widać, że składają się z wielu oczek prostych, zwanych ommatidiami. Każde z nich posiada soczewkę i receptory. Choć powszechnie uważane za mniej doskonałe od oczu kręgowców, oczy owadów mają swoje zalety. Pszczoły, na przykład, widzą w ultrafiolecie, a nawet, dzięki umiejętności polaryzacji światła, mogą dostrzec słońce przez chmury, co umożliwia im orientację w terenie.
Pewien gatunek morskich skorupiaków, rawka, posiada oczy złożone o niezwykle wyrafinowanej budowie, umożliwiającej widzenie przestrzenne. Pozornie nie ma w tym nic dziwnego, gdyż wiele zwierząt widzi stereoskopowo, w tym oczywiście ludzie. U nas odbywa się to jednak w ten sposób, że mózg porównuje obrazy z obu oczu, nakłada je na siebie i dzięki temu możemy dostrzec trzeci wymiar, głębię obrazu. Rawka wszakże widzi stereoskopowo każdym okiem. Ponadto, każde oko może poruszać się niezależnie, podobnie jak u kameleona. A że rawka jest drapieżnikiem, daje jej to znaczną przewagę nad ofiarami.
Widzimy mózgiem
Nie sposób stwierdzić, jak widzą świat swoimi złożonymi oczami owady. Nam budowa tego narządu wydaje się dziwaczna. Trzeba jednak pamiętać o podstawowej rzeczy – że obraz tego, na co patrzymy, nie powstaje w oku, lecz w mózgu. Najwyraźniej mózg owadów radzi sobie jakoś z tą sytuacją i to zapewne nie najgorzej, skoro owady osiągnęły taki sukces ewolucyjny.
Dobrym przykładem roli mózgu w kreowaniu obrazu, odbieranego przez oczy ludzkie, jest sprawa wspomnianej już plamki ślepej. Powinniśmy przecież postrzegać ją jako ubytek w naszym polu widzenia, tymczasem tak się nie dzieje. Dlaczego? Ponieważ mózg uzupełnia ten brakujący fragment obrazu w sposób tak doskonały, że aby wykryć istnienie plamki ślepej trzeba skorzystać z bardzo pomysłowych testów.
Inny przykład to… telewizja. Zasada działania odbiornika telewizyjnego polega na tym, że wiązki elektronów przemiatają ekran kineskopu i „rysują” na nim tzw. półobrazy, w tempie 50 na sekundę. I to właściwie wszystko. Dopiero nasz mózg łączy te „półobrazy” we właściwy ruchomy obraz telewizyjny.
Kiedy obszar mózgu odpowiedzialny za powstawanie obrazu ulegnie uszkodzeniu może dojść do tzw. ślepoty korowej. Oko odbiera bodźce, a więc człowiek widzi normalnie, ale bodźce te nie są przyswajane przez mózg, a zatem człowiek zachowuje się jak ślepiec, gdyż dosłownie „nie wie”, że widzi.
Oko (sztuczne) za oko?
Fakt, że to mózg tworzy obraz otoczenia, otwiera szansę przed niewidomymi. Wystarczy bowiem zastąpić niesprawną bądź utraconą gałkę oczną kamerą i…
No, nie przesadzajmy, to nie takie proste. Postęp jednak jest wyraźny. Na początku 1999 r. zaprezentowano publicznie pierwsze urządzenie, które z pewną ostrożnością można nazwać sztucznym okiem. Opracowana w nowojorskim Dobelle Institute, przez nieżyjącego już prof. Williama Dobelle, aparatura składała się z mikrokamery, komputera i implantu wszczepionego w korę wzrokową mózgu. Obraz otoczenia odbierany był przez kamerę umieszczoną w okularach i przekazywany do komputera, noszonego w torbie. Stamtąd odpowiednio opracowane sygnały biegły wiązką przewodów do implantu, będącego siateczką o powierzchni 2,5 cm kw., z 68 platynowymi elektrodami. Pobudzanie elektrod powodowało powstawanie w mózgu wrażeń wzrokowych – pacjent dostrzegał błyski światła i cienie. Co więcej, potrafił odczytać z odległości półtora metra napis złożony z pięciocentymetrowych liter.
Sztuczne oko prof. Dobelle nie umożliwiało jeszcze widzenia w pełnym znaczeniu tego słowa. Rozdzielczość obrazu była zbyt mała. Ale to wystarczyło, by poruszać się w nieznanym otoczeniu. Ponadto, abstrahując od owych pionierskich dokonań, wykorzystanie komputera połączonego z implantem stwarzało ciekawe możliwości. Pokazano, że można obraz z komputera przesyłać wprost do mózgu.
Ślepota może wynikać również z niesprawności poszczególnych elementów oka. Także i na to technika stara się znaleźć sposoby. Na początku 2002 r. naukowcy z NASA przedstawili eksperymentalną, sztuczną siatkówkę. Składała się ona ze 100 tys. ceramicznych czujników fotoelektrycznych na polimerowym podłożu. Każdy czujnik miał wielkość 5 mikrometrów, był więc dwudziestokrotnie cieńszy od ludzkiego włosa. Po wszczepieniu bionicznej siatkówki do oka polimerowa podstawa ulegała rozpuszczeniu. Pozostały natomiast czujniki, przejmując rolę naturalnych pręcików i czopków.
A co, jeśli oczy zachowałyby sprawność, a uszkodzony byłby obszar mózgu odpowiedzialny za interpretację sygnałów wzrokowych? Protezy układu nerwowego są nadal pieśnią bliżej niesprecyzowanej przyszłości, ale pierwsze kroki w tym kierunku już się czyni. Ciekawy eksperyment przeprowadzono na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, podłączając elektrody do komórek mózgu kota znajdujących się we wzgórzu wzrokowym, do którego dochodzi nerw wzrokowy. Różne komórki tego rejonu ulegają pobudzeniu w zależności od tego, co znajduje się w polu widzenia kota, i na tej podstawie mózg buduje obraz przedmiotów, na które patrzy kot. Elektrody przekazywały impulsy pobudzanych komórek do komputera, a specjalne oprogramowanie starało się zrekonstruować obraz widziany przez kota, imitując w ten sposób pracę mózgu zwierzęcia. Jak się okazało, z sukcesem, bowiem na ekranie monitora można było dostrzec dość dobrze rozpoznawalne obiekty, w tym wyraźne owale ludzkich twarzy. Komputer „patrzył” więc niejako kocimi oczami.
Ale czy ratunkiem dla niewidomych i niedowidzących może być tylko technika? W roku 2000 uczeni z uniwersytetu w Toronto odkryli, że oko posiada potencjalną zdolność do regeneracji siatkówki. Trzeba tylko odpowiednio pobudzić tzw. komórki macierzyste. Są to komórki, z których może powstać dowolna tkanka organizmu. Odnalezienie ich w siatkówce daje szansę na jej naprawę w sposób niejako naturalny.
Inne wykorzystanie komórek macierzystych – nie do odtworzenia, lecz do wytworzenia siatkówki – zaproponowali Japończycy w roku 2011. W warunkach laboratoryjnych skłonili komórki macierzyste myszy do przekształcenia się w komórki siatkówki oka. „Wyprodukowana” w ten sposób siatkówka mogłaby posłużyć jako materiał do przeszczepu w miejsce uszkodzonej tkanki.
Obecnie na rynku medycznym jest już kilka urządzeń mających przywrócić bądź poprawić zdolność widzenia. Na przykład sztuczne oko Argus II umożliwia dostrzeganie dużych struktur, jak postaci ludzkie, samochody, drzwi itp. Całość urządzenia składa się z okularów z wbudowaną kamerą, akumulatora i implantu, składającego się z mikroprocesora i 60 elektrod, pełniącego rolę sztucznej siatkówki. Wszczepia się go pod siatkówkę pacjenta. Jak to działa? Obraz z kamery jest przekazywany bezprzewodowo do mikroprocesora, skąd w postaci impulsów elektrycznych trafia do elektrod, a te pobudzają komórki siatkówki pacjenta, w wyniku czego na siatkówce powstaje obraz. Mimo iż rozdzielczość nadal pozostawia sporo do życzenia, używający urządzenia pacjent jest nawet w stanie przejść po linii namalowanej na posadzce. Może też dość swobodnie poruszać się w wypełnionych różnorakimi sprzętami pomieszczeniach.
Przytoczone powyżej przykłady to tylko niewielki ułamek badań nad leczeniem dysfunkcji związanych z widzeniem, jakie są intensywnie prowadzone na całym świecie. Nic zresztą dziwnego – wzrok jest niewątpliwie najważniejszym ze zmysłów.
Niewykluczone, że już niedługo sztuczne oczy będą doskonalsze od naturalnych. Być może, znając ludzką skłonność do ekstrawagancji i eksperymentowania ze swoim ciałem, modne stanie się posiadanie więcej niż dwojga oczu. Powiedzenie „mieć oczy dookoła głowy” nabierze wówczas nowego znaczenia.