Физика в мире животных: трилобиты и их сложные глаза
Трилобиты — класс морских животных, вымерший сотни миллионов лет назад. Ученым известно 9 отрядов трилобитов, которые включают 150 семейств, 5 тысяч родов и 10 тысяч видов. Ближайшие современные аналоги трилобитов по строению тела — мокрицы и мечехвосты (кстати говоря, «живые ископаемые»). У большинства трилобитов был мощный панцирь. Рот и ноги располагались на нижней стороне тела, а глаза — на верхней.
Глаза большинства трилобитов были очень сложными, причем их строение радикально отличалось от строения глаз современных животных. Кристаллинового хрусталика у этих животных не было, вместо него у трилобитов были минеральные линзы из кальцита. Сейчас единственными животными с минеральными зрительными линзами являются некоторые существующие ныне офиуры и моллюск Acanthopleura granulata. Сложность глаз трилобитов была гораздо выше сложности глаз этих наших современников.
Как ученые выяснили строение глаз трилобитов? Благодаря тому, что они состояли из неорганического кальцита, глаза трилобитов очень хорошо сохранились. В элементарных линзах составных глаз ископаемых членистоногих кальцит имеет необычную кристаллическую структуру. Луч света, который идет под определенным углом, не преломляется и не разбивается на несколько лучей. А вот лучи, которые падают на глаз животного под другим углом, разбиваются на два луча, которые преломляются и поступают на сенсорные клетки именно так, как нужно для последующего формирования общей картинки. Поскольку глаза трилобитов были почти полностью неорганическими, то и фокусироваться на различных объектах они не могли самостоятельно. У большинства современных животных фокусировка происходит в автоматическом режиме благодаря изменению формы и размера зрачка и хрусталика (конечно, это относится только к тем животным, у кого есть и зрачок, и хрусталик).
Глаза большинства видов трилобитов имеют структуру, которая очень похожа на структуру тех оптических конструкций, которые были созданы Декартом и Гюйгенсом в середине 17-го века. Окуляр Гюйгенса состоит из двух плоско-выпуклых линз, расположенных плоскими частями к глазу наблюдателя и разделённых некоторым промежутком. Линзы называются линзами глаза и линзами поля. Фокальная плоскость расположена между двумя линзами. Он был изобретен Христианом Гюйгенсом в конце 1660 годов и был первым составным (многолинзовым) окуляром. Гюйгенс открыл, что две разделённые промежутком линзы могут быть использованы для изготовления окуляра с нулевой хроматической аберрацией. Эти асферические анапланатные линзы могут оптимизировать формируемое отдельными элементами глаза изображение, собирая лучи света лучше прочих систем. Среди трилобитов встречались виды, у которых не было глаз вообще (вероятно, они жили в темноте или в очень мутной воде), например, у вида Agnostus, или виды, у которых были примитивные глаза.
Но у большинства остальных глаза были развитыми. Они разделяются на три типа:
Глаза голохроического типа. Они состояли из большого количества элементарных «фасеток», речь идет о 15000 призматических линз или даже большем их числе. Все элементарные линзы находились в прямом контакте друг с другом, без непрозрачных разделяющих мембран. Прозрачная защитная мембрана покрывала глаза такого типа только сверху.
Глаза шизохроического типа. Они состояли примерно из 700 элементов каждый и разделялись непрозрачными стенками. Отдельные «фасетки» представляли собой округленные или многоугольные линзы. Глаза были покрыты сверху прозрачной мембраной, которая, вероятно, защищала весь орган от повреждения. У всех ранних видов трилобитов глаза были голохроического типа, которые затем эволюционировали в шизохроический тип глаз.
Абатохроический тип глаз. В нем было гораздо меньше элементов (не более 70). Это были все те же округленные или многоугольные линзы, которые отличались от линз глаз шизохроического типа размером. Каждая элементарная линза была отделена от соседних тонкой непрозрачной мембраной (склерой). Эти глаза были меньшими по размеру, чем предыдущие два типа, но обеспечивали своим «владельцам» неплохое зрение. Вероятно, абатохроические глаза были у тех трилобитов, кто жил на дне или в относительно мутной воде.
Глаза разных видов трилобитов отличались по размеру и расположению. Например, у тех животных, которые жили в донном грунте, глаза располагались на стебельках. Они позволяли закопавшемуся в ил животному видеть все, происходящее вокруг. У многих трилобитов был превосходный обзор. Так, глаза у вида Opipeuter обеспечивали практически круговой обзор — эти плавающие животные видели все, что происходит сверху, снизу и по бокам. Так называемых мертвых зон у них не было.
В целом, «картинка» у трилобитов формировалась примерно так же, как у современных насекомых с фасеточными глазами. Отдельные элементы изображения складывались в общую мозаику, которая была тем лучшей, чем больше отдельных элементов содержал глаз. Вероятно, это можно сравнить с пикселизацией изображения на мониторах — чем больше пиксель, тем большую «зернистость» мы видим.
Бриджитт Шоемененн, палеонтолог из Боннского университета, одной из первых изучала глаза трилобитов, используя для этого рентгеноскопию. Благодаря своему методу она смогла оценить строение не только линз-фасеток, но и клеток, которые расположены под ними. Под каждой миниатюрной линзой расположены сенсорные клетки, причем их расположение напоминает расположение лепестков цветов. Центральным элементом были ромбовидные фоторецепторы. В промежуточном пространстве располагались пигментные клетки, которые придавали глазам коричнево-черную окраску.
Как уже говорилось выше, с фокусировкой изображения у трилобитов не было никаких проблем. Они одновременно видели объекты рядом с собой и те объекты, что находились от них за сотни метров. В целом, эти древние животные имели сложнейшие глаза, которые обеспечивали «картинку» не хуже, чем глаза современных животных. И при этом структура этих древних глаз радикально отличалась от структуры глаз современных животных.
