Acs evolūcija ir piemērs tam, ka homoloģisks orgāns ir sastopams visdažādākajos taksonos. Tas nozīmē, ka daudzi dzīvnieki mantojuši līdzīgas pamata attīstības shēmas no kopīga senča, taču galīgais acu izskats un uzbūve var būt ļoti atšķirīgs.

Pamata molekulārais un attīstības rīkkopa

Dažām acs sastāvdaļām, piemēram, redzes pigmentiem, šķiet, ir kopīgi priekšteči — tas ir, tie attīstījās reiz, pirms dzīvnieki izkliedējās. Opsīni (gaismas uztveres proteīni, tajos skaitā rhodopsīns) un citi fototransdukcijas elementi ir plaši izplatīti un veido pamatu fotorecepcijas mehānismiem. Tāpat daudzi dzīvnieki izmanto līdzīgas ģenētiskas vadlīnijas (piemēram, mūsdienās labi pētīto Pax6 gēnu klasi) acu attīstības sākotnējā noskaņošanai — tas ne vienmēr nozīmē identisku gala rezultātu, bet rāda kopīgu attīstības „rīkkopu”.

Neatkarīgas acu evolūcijas piemēri

Tomēr sarežģītas, attēlu veidojošas acis ir attīstījušās aptuveni 50 līdz 100 reižu — tas nozīmē, ka līdzīgu funkcionalitāti var sasniegt no dažādām sākotnējām struktūrām. Lai gan daudzi no tiem pašiem proteīniem un ģenētiskajiem rīkiem tiek izmantoti atkārtoti, konkrētā acu morfoloģija var būt būtiski atšķirīga:

  • Vertebrālie „kamerveida” acs tipa risinājums (acs lode ar lēcu, tīkleni u.c.),
  • Galvaskausu gliemeņu un iedomu (molu) piemēri — arī kamerveida acs, taču ar neatkarīgu attīstības ceļu (konverģence),
  • Artropodu daudzšūņu (fāzu) vai daudzacu — sarežģītas facettētas jeb kompaund acis ar daudzām ommatīdijām,
  • Neparastas adaptācijas — piemēram, gliemežu spoguļacis (scallops), medūzu un kastes medūzu (box jellyfish) specializētās strukturētās acis ar lēcu vai retinā līdzīgu audu izkārtojumu.

Ātrā izmaiņu fāze — Kambrija

Šķiet, ka sarežģītas acis pirmo reizi attīstījās dažu miljonu gadu laikā, straujā evolūcijas sprādziena laikā, kas pazīstams kā Kambrijas sprādziens. Nav pierādījumu par acīm pirms kembrija, bet vidējā kembrija Burgesa slānī ir vērojama liela daudzveidība — fosilijās redzamas daudzas dzīvnieku grupas ar dažāda veida fotorecepcijas struktūrām, kas liecina par intensīvu jaunu redzes risinājumu parādīšanos.

Anatomiskās variācijas un to funkcijas

Acis ir daudzveidīgi pielāgotas, lai atbilstu to organismu prasībām, kuriem tās ir. Galvenās variācijas skar:

  • Attēla asums (rezolūcija) — kamerveida acs ar fokusējošu lēcu var nodrošināt smalku attēlu, kamēr kompaund acs dod labāku lauka pārklājumu un ātru kustību detektēšanu.
  • Viļņu garumu diapazons — daži organismi redz plašu spektru (piem., putni ar tetrahromiju), citi spēj uztvert ultravioletu vai infrasarkano gaismu.
  • Jutība vājā apgaismojumā — nakts dzīvnieki izmanto vairāk «rod» tipa fotoreceptoru vai īpašas retinas adaptācijas, lai palielinātu jutību.
  • Kustības un kontrasta uztvere — dažiem plēsējiem ir augsta spēja atšķirt siluetus un kustību, kas ļauj efektīvi medīt.
  • Krāsu diskriminācija — daži dzīvnieki spēj atšķirt krāsas ļoti smalki (piem., kukaiņi, putni, primāti), citiem krāsu uztvere ir vāja vai neesoša.

Fotoreceptoru veidi un tīklenes organizācija

Bioloģiski nozīmīgi atšķiras arī fotoreceptoru veidi un to šūnu arhitektūra: ciliarie fotoreceptori (raksturīgi mugurkaulniekiem) un rhabdomeric fotoreceptori (bieži artropodos) izmanto atšķirīgus šūnu veidus un opsīnu klases. Tāpat ir atšķirības retinas izkārtojumā — piemēram, mugurkaulnieku tīklenē fotoreceptoru slānis ir orientēts tā, ka gaisma šķērso citus slāņus, radot redzes punktu (aklumu), kamēr kalmāru un astoņkāju acīs fotoreceptori ir vērsti tieši pret gaismas avotu, bez «akluma» laukuma, kas rāda alternatīvus risinājumus līdzīgai funkcijai.

Adaptācijas pret vidi un uzvedības lomu nozīme

Acu evolūciju virza selekcijas spiediens no vides un uzvedības: plēsība un medīšana, orientēšanās vidē, pārošanās signāli, sociālā komunikācija un diennakts ritms. Dažas adaptācijas, ko novēro:

  • Polarizācijas uztvere kukaiņiem un jūras dzīvniekiem, kas palīdz orientēties un atklāt ūdens virsmas gaismas atstarošanu.
  • UV redze, kas labvēlīga nektāra meklēšanai, ziedu atpazīšanai vai signālu nolasīšanai matekoloģijā.
  • Lielas acis vai īpašas lēcas formas dzīvniekiem, kas darbojas vājā gaismā (naktstauriņi, dažas piekrastes sugas).

Svarīgākie secinājumi

Acu evolūcija ir gan piemērs homologiem risinājumiem, gan konverģencei — daudzas neatkarīgas adaptācijas ir izmantojušas līdzīgus molekulāros komponentus, lai izveidotu plašu morfoloģiju un funkciju klāstu. No vienkāršiem gaismas juteklīšiem līdz sarežģītām attēlu veidojošām sistēmām, acu attīstība parāda, cik plastikā un novatoriska var būt dzīves evolūcija, reaģējot uz vides izaicinājumiem un uzvedības prasībām.