A szem sem az intelligens tervezettség bizonyítéka

A gerinces állatok szeme az egyik legbonyolultabb szerv az állatvilágban. Az evolúcióelmélet támadói, a kreacionisták és az intelligens tervezettség hívei ezért gyakran hivatkoznak rá, mint olyan szervre, amely "nyilvánvalóan nem jöhetett létre a természetes kiválasztódás útján". A következőkben összegezzük a szem evolúciójára vonatkozó mai ismereteinket, és felsorakoztatjuk a látószerv fokozatos kialakulására és tökéletesedésére vonatkozó bizonyítékokat.

2009-ben két kiemelkedő, a mai természettudományt alapvetően meghatározó évfordulót is ünnepel a tudományos világ. 200 éve, 1809. február 12-én született a modern evolúcióelmélet kidolgozója, Charles Robert Darwin, és 150 éve, 1859. november 24-én jelent meg főműve, A fajok eredete, amely azután alapvetően megváltoztatta tudományos világképünket. E két évforduló tiszteletére evolúciós cikksorozatot jelentettünk meg, amelynek első részében Darwin életútját és evolúcióelméletének megszületését mutattuk be, a másodikban pedig az ősmaradványok szerepét tekintettük át. A sorozat harmadik részében az evolúció legfontosabb molekuláris (genetikai) bizonyítékait ismertettük, negyedikben pedig az evolúcióelmélet egyik legtöbbet vitatott területével, a fajképződéssel foglalkoztunk. Mostani cikkünkben az egyik legösszetettebb szerv, a szem evolúcióját foglaljuk össze röviden.

A leegyszerűsíthetetlen komplexitás elve

Az intelligens tervezettség (ID) szószólóinak egyik legfontosabb érve az úgynevezett leegyszerűsíthetetlen összetettség vagy komplexitás fogalma, amelyet Michael J. Behe biokémikus vezetett be 1996-ban megjelent, Darwin fekete doboza című, magyarul is olvasható könyvében. Szerinte az élő szervezeteknél - akárcsak az élettelen tárgyaknál - visszafelé lebontva a szerkezetet eljutunk egy olyan szintre, amely tovább már nem egyszerűsíthető. Ha ezután bármely alkotórészt elvesszük, akkor az adott szerv vagy szerkezet működésképtelenné válik. Az ID hívei ebből azt a következtetést vonják le, hogy az evolúció nem hozhatott létre bonyolult funkcionális szerveket (mivel azok átmeneti formái működésképtelenek lettek volna), csak valamiféle "intelligens tervező".

Az ID hívei a leegyszerűsíthetetlen komplexitás példájául legtöbbször az ostoros egysejtűek ostorát, valamint a gerincesek szemét hozzák föl. A szemet véve példaként azt állítják, hogy bármely alkotórészt (szemlencse, szivárványhártya, üvegtest, retina stb.) elvéve a szem működésképtelenné válik. Ez többé-kevésbé igaz is, csak éppen feje tetejére állított okoskodás. Az evolúció folyamán ugyanis a fejlődés az egyszerűbb szintektől haladt a bonyolultabbak felé és nem fordítva. Így tehát nem azt kell megvizsgálnunk, mit kell elvenni a szemből, hogy működésképtelenné váljon, hanem azt, hogy - a ma elfogadott elmélet szerint - létrejöhetett-e a szem az egysejtűek fényérzékelő szemfoltjából. A válasz erre a mai tudásunk szerint egyértelmű igen.

A szemfolttól a hólyagszemig

A létező legegyszerűbb "szem" az egyes élőlények kültakaróján elhelyezkedő fényérzékeny sejtek (ocellusok) csoportja, az úgynevezett szemfolt. Ezek csak a fényt és a sötétséget tudják megkülönböztetni a bennük lévő fényérzékeny protein, az opszin segítségével. A zöld szemesostoros (Euglena viridis) nevű egysejtű például ilyen érzékszervvel rendelkezik a fény és a sötétség érzékelésére. A fényérzékeny sejtek koncentrálódása egy bizonyos területen feltehetően javítja a világos-sötét érzékelését. Ilyen egymás mellett elhelyezkedő fényérzékeny sejtekből álló szemfoltjaik vannak a csalánozóknak, például a medúzáknak és a tengeri rózsáknak.

A zöld szemesostoros (Euglena viridis) mikroszkópos képén jól látható a szemfolt (piros színben)

A valódi látószerv akkor kezdett kialakulni, amikor a fényérzékeny sejtek alkotta szemfolt egyre beljebb nyomódva az állat testszöveteibe csésze- vagy kehelyalakot vett fel. A kehely belsejét általában valamilyen váladék tölti ki. A kehely hátsó falát alkotó fényérzékeny sejtek mögött rendszerint pigmentsejtek, olykor (például a kagylóknál) fényvisszaverő sejtek rétege húzódik. A kehelyszem már nemcsak a fény és a sötétség megkülönböztetésére alkalmas, hanem a fény iránya is érzékelhető vele. Ilyen szemtípussal találkozunk a férgek és puhatestűek zöménél.

A kehelyszem további besüllyedésével egyre szűkült a fénybemeneti nyílás és kialakult a camera obscura elvén működő, képalkotásra is alkalmas hólyagszem. Ezek kezdetlegesebb formáiból még hiányzik a lencse (ilyen a csigaházas polip - Nautilus - szeme), de polipoknál és tintahalaknál, valamint a gerinceseknél már a krisztallin nevű fehérjéből felépülő lencse teszi teljessé a látószervet. Fontos hangsúlyozni, hogy a lábasfejűek és a gerincesek szeme külső hasonlósága ellenére külön-külön fejlődött ki az evolúció folyamán, tehát ezek ún. analóg szervek.

A polip hólyagszeme - a látszólagos hasonlóság ellenére - a gerincesek szemétől eltérő úton fejlődött ki

Megjegyezzük, hogy az ízeltlábúak összetett szemének evolúciója és felépítése teljesen eltér a fent leírtaktól, de erre itt nem térünk ki részletesen.

Darwin 200

Ismerje meg az evolúcióelmélet kialakulását, őslénytani és molekuláris bizonyítékait, a csoportszelekció rejtélyeit, a genetikai és az evolciókutatás új területeit, a jégkori óriások feltámasztásának nehézségeit és az evolúció számos egyéb kérdését!

Darwin 200 - ünnepi evolúciós dosszié

Átmenet a gerinctelenek szemétől a gerincesek szeme felé

Az állati szem fényérzékelő sejtjeinek két fő változata van. Az egyikkel a gerincteleneknél találkozunk, a másikkal a gerinceseknél, a halaktól egészen az emberig. A kettő közötti alapvető különbség onnan adódik, hogy a szem sejtjeiben két különböző módon lehetett növelni a fényérzékeny felületet. A gerinctelenek sokszorosan redőzött sejteket "fejlesztettek ki" (rabdomérák), a gerincesek viszont a sejtből kiemelkedő apró, sörteszerű nyúlványokkal "növelték meg" a szóban forgó terület felszínét (ciliáris vagy csillós sejtek). Ehhez a kétfajta megoldáshoz egy sor egyéb különbség is társul. Az adott földtörténeti időszakból azonban sokáig nem voltak fosszíliák, s úgy tűnt, sohasem fogjuk megtalálni az összefüggést és az átmenetet a két különböző szemtípus között.

Az áttörést a heidelbergi Európai Molekuláris Biológiai Laboratórium (EMBL) tudósainaknak kutatásai hozták. Detlev Arendt és Jochen Wittbrodt fölfedezte, hogy a szemünkben lévő fényérzékeny sejtek az agy ősi fényérzékeny sejtjeiből származnak. Még most is találhatók agyunkban fényérzékeny sejtek, ezek befolyásolják napi ritmusunkat.

Emberi szem műtét közben

A kutatók fölfedezték, hogy a gerinctelen állatokban a rabdomérák váltak a szem részeivé, a ciliáris sejtek pedig az agyban beágyazódva maradtak. A gerinces szem evolúciója azonban különleges. Itt a ciliáris sejtek álltak a látás szolgálatába, és végül belőlük alakultak ki a retina pálcikái és csapjai.

A fenti összefüggésre a bizonyítékot egy "élő fosszília", a Platynereis dumerilii tengeri soksertéjű gyűrűsféreg szolgáltatta, amely még mindig hasonlít 600 millió éve élt korai őseihez. Arendt a féreg agyáról készült mikroszkópos képeket tanulmányozva észrevette, hogy a féregagyban lévő sejtek alakja meghökkentően hasonlít az emberi szemben lévő pálcikákra és csapokra. Rögtön arra gondolt, hogy mindkét fényérzékeny sejtnek azonos lehet az eredete.

A Platynereis dumerilii tengeri soksertéjű gyűrűsféreg

Az elmélet ellenőrzéséhez a "molekuláris ujjlenyomat" nevű módszert használták. A molekuláris ujjlenyomatok egy adott sejtben lévő molekulák egyedi kombinációját jelentik. Ha különböző fajok sejtjeiben megegyező molekuláris ujjlenyomatokat találnak, akkor nagyon valószínű, hogy közös a sejtek őse. A kutatók azt tapasztalták, hogy a féreg egyik opszinja (fényérzékeny molekulája) rendkívül hasonlít a gerincesek pálcikáiban és csapjaiban található opszinhoz.

A különböző állatok fényérzékeny sejtjeiben az opszinoknak különböző típusai fordulnak elő. Ha egymástól rendszertanilag távol eső élőlényekben azonos vagy nagyon hasonló szerkezetű opszinokat találnak, az a közös evolúciós eredetet bizonyítja. A kutatók fölfedezése tehát azt igazolja, hogy a féreg agyában lévő sejtek és a gerincesek szemében lévő pálcikák és csapok közös evolúciós eredetűek.

Mennyi idő alatt alakulhatott ki a gerincesek szeme?

A gerinces szem megjelenésének első fosszilis bizonyítéka a kora-kambriumból (kb. 530 millió évvel ezelőttről) származó, Kínában talált Haikouichthys, amely a jelenleg ismert egyik legrégibb gerinces-ősmaradvány, az úgynevezett állkapocs nélküliekhez (Agnatha) tartozó hal. Ezen a fosszílián jól kivehetők a szemek üregei. A gerinces szem tehát valamikor a 600-tól 530 millió évig terjedő időszakban alakult ki.

A kutatók szerint a szem egyes alapvető alkotórészei, például a látópigmentek (a már említett opszinok) a jelek szerint közös ősre vezethetők vissza, tehát egyszer alakultak ki az evolúció folyamán. Magával a szerkezettel azonban számos próbálkozás történt: a bonyolultabb képalkotó szemek azonban legalább 50-100 alkalommal jelenhettek meg egymástól függetlenül.

Animáció a szem kialakulásáról

1994-ben Dan E. Nilsson és Susanne Pelger svéd tudósok egy számítógéppel támogatott modellt dolgoztak ki. Ez a modell azt mutatja be, hogy egy eredetileg csupán három sejtrétegből (átlátszó védőréteg, fényérzékeny sejtek, sötét pigmentréteg) álló fényérzékeny szemfoltból egyszerű mutációk és szelekció segítségével hány generáció alatt alakulhat ki egy komplex szem. Bár minden paramétert pesszimistán határoztak meg, modelljük alapján valamivel több mint 350 000 generáció (azaz, ha a kis és közepes méretű vízi állatoknál megszokott egyéves generációs időt vesszük, hozzávetőleg 350 000 év alatt) tökéletes halszem "jött létre". Azóta egy újabb - genetikai algoritmuson alapuló - szemevolúciós modell is megjelent (Dov J. Rhodes, 2007), e szerint legalább az ötszörösére (kb. 1,8 millió évre) volt szükség a szem kifejlődéséhez. Bármelyik számítást fogadjuk is el, a természetes kiválasztódásnak bőven volt ideje "kísérletezni" a különféle fényérzékelő szervekkel, és nem volt szükség semmiféle "intelligens tervezőre" a legbonyolultabb szem megalkotásához sem.