Dlaczego wyewoluowało tyle rodzajów oczu? Naukowcy odkryli coś w symulatorze
Oczy dookoła głowy lub jako para, skierowane do przodu lub na boki, rejestrujące mniej lub więcej kolorów... Dlaczego istnieje tak wiele rodzajów oczu? Naukowcy z MIT stworzyli komputerową symulację życia, skupioną na obserwacji ewolucji narządu wzroku. Pokazała ona, że oczy u różnych gatunków przystosowały się do konkretnych zadań i rozwijały się wraz z mózgiem.
Spis treści:
- Dlaczego oczy różnią się u poszczególnych gatunków zwierząt?
- Komputerowa symulacja życia pokazała przebieg ewolucji narządu wzroku
- Mózg rozwijał się wraz z oczami. To umożliwiło przetrwanie
Dlaczego oczy różnią się u poszczególnych gatunków zwierząt?
Oczy mogły wyewoluować jako narząd ułatwiający zdobycie pożywienia i unikanie niebezpieczeństw. Dlaczego jednak jest ich tyle rodzajów? Oczy dookoła głowy u pająków lub para oczu u ssaków, oczy skierowane do przodu u drapieżników lub po bokach jak u roślinożerców, rejestrujące większy zakres światła widzialnego jak u ustonogich lub węższy u ludzi i jeszcze węższy u psów, proste skupiska fotoreceptorów lub oczy przypominające aparat z soczewką, źrenicą i siatkówką. Naukowcy z MIT postanowili zbadać tę różnorodność w warunkach symulacji ewolucji. Swoje odkrycia opisali we wpływowym "Science Advances". Publikacja ukazała się 17 grudnia 2025.
Wcześniejsze modele symulacji ewolucji wzroku prowadzone były w oderwaniu od innych zdolności. Nowa symulacja bierze już pod uwagę otaczający świat, bez którego nie da się przecież mówić o zwierzętach, jako że nie żyją one w próżni, a ich zmysły służą do interakcji z tym, co na zewnątrz. Badacze zasymulowali więc coś w rodzaju wizualnego środowiska startowego i obserwowali, jakie rodzaje widzenia ewoluowały w kolejnych pokoleniach w miarę adaptacji oczu środowiska.
Ta symulacja przypomina trochę grę komputerową z realistycznym odwzorowaniem fizyki. Ten cyfrowy świat naukowcy zaludnili postaciami z jednym "okiem" (pojedynczym fotoreceptorem) widzącym jeden piksel, wyposażonymi w uczącą się sieć neuronową, która przypomina podstawowy mózg. Każdy z tych osobników (agentów) dostał nieco inną konfigurację początkową, aby zasymulować różnorodność genetyczną w prawdziwym świecie. Co się wydarzyło przez kolejne pokolenia?
Komputerowa symulacja życia pokazała przebieg ewolucji narządu wzroku
W tej komputerowej symulacji życia postacie miały za zadanie poruszać się po wirtualnej przestrzeni, realizując te same potrzeby, co istoty żywe w prawdziwym świecie, a więc wyszukiwać pożywienie (reprezentowane przez zieloną kulę) i unikać wrogów (w postaci dwóch czerwonych kul "trucizny"), poruszając się po labiryncie. Sieć neuronowa tych agentów pozwalała im się uczyć, więc kolejne podejścia i pokolenia były coraz lepsze. W symulacji działał dobór naturalny. Cechy sprzyjające przetrwaniu przechodziły dalej, a te nieprzydatne - wymierały. A jakie były to cechy w kontekście wzroku?
Cechami przydatnymi z punktu widzenia ewolucji okazały się np. oczy w konkretnej liczbie (dwoje lub więcej) i ostrość widzenia. Były one przekazywane kolejnym pokoleniom agentów. Żeby jeszcze dokładniej odwzorować ewolucję, symulacja wprowadzała u postaci losowe wariacje w dziedziczonych cechach, aby naśladować mutacje genetyczne, które w przyrodzie pojawiają się spontanicznie.
Badacze odnotowali, że dwoje oczu wyewoluowało do 50. pokolenia od rozpoczęcia symulacji u tych osobników, które musiały odnajdować pożywienie i unikać trucizny. Miały one wysoką rozdzielczość widzenia, ale były pozbawione widzenia peryferyjnego, które nie było aż tak ważne dla przetrwania. Z kolei osobniki nastawione na nawigację w labiryncie udoskonaliły orientację przestrzenną dzięki oczom złożonym jak u owadów, które jednak miały ograniczoną zdolność rozróżniania szczegółów.
Mózg rozwijał się wraz z oczami. To umożliwiło przetrwanie
W kolejnym badaniu naukowcy wprowadzili zmiany do symulacji, umożliwiając ewolucję soczewek, które przepuszczają dużo światła i wyostrzają widzenie. Te struktury pojawiły się przed 130 pokoleniem, ułatwiając ich posiadaczom odnajdywanie kul pożywienia. Eksperci przeprowadzili jeszcze jeden test, w którym chcieli sprawdzić, czy większy mózg może zrekompensować słabszy wzrok. Badanie pokazało jednak, że aby osiągać lepsze wyniki w zadaniach, ewoluować muszą zarówno oczy, jak i mózg. Ten wspólny rozwój jest także powszechny w naturze. U zwierząt widzących w większej rozdzielczości obserwuje się także większe mózgi.
Podsumowując, autorzy badania doszli do trzech wniosków. "Po pierwsze, dostarczamy dowodu obliczeniowego, że selekcja specyficzna do zadania napędza bifurkację (rozwidlenie, podział na dwie części - przyp. red.) w ewolucji oka. Po drugie, ujawniamy, jak innowacje optyczne wyłaniają się naturalnie, by rozwiązać fundamentalne kompromisy między gromadzeniem światła a precyzją przestrzenną. Po trzecie, odkrywamy prawa skalowania między ostrością wzroku a przetwarzaniem neuronalnym, co potwierdza wieloletnie hipotezy na temat rozmiaru oka i mózgu" - wyjaśniają naukowcy.
Co dalej? Opisana wyżej symulacja, choć wydaje się odzwierciedlać warunki życia prostych organizmów, wciąż nie bierze pod uwagę wszystkiego, dlatego naukowcy z MIT planują ją rozszerzyć. Przyszłe symulacje mogą być bardziej złożone dzięki wprowadzeniu rywalizacji między agentami i między różnymi ich "gatunkami" wyposażonymi w różne rodzaje oczu.
Badacze uważają też, że symulatory ewolucji wykorzystujące sztuczną inteligencję, tak jak w tym przypadku, mogą służyć jako "maszyny do testowania hipotez", tym samym przyspieszając dalsze odkrycia w nauce o widzeniu.
Źródła:
- Kushagra Tiwary et al., What if eye...? Computationally recreating vision evolution. Sci. Adv. 11, eady2888 (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ady2888
- Cathleen O'Grady, Why have so many different eyes evolved? Gamelike simulation could provide answers. Science (2025). DOI: 10.1126/science.zdvgi3s
