И в этом заключается анатомический подвох глаз позвоночных. Очень похожая на воду жидкость, называемая водянистой влагой, омывает структуры, расположенные в передней части глаза, а более желеобразная стекловидная влага (или стекловидное тело, по консистенции очень похожее на яичный белок) омывает все, что находится за хрусталиком. Это создает проблему, поскольку свет распространяется сквозь воду медленнее, чем сквозь воздух. Вместо того, чтобы мчаться со скоростью около 300 000 км/с, как в воздухе, в воде свет замедляется до жалких 225 000 км/с. При попадании в воду свет изгибается, или, говоря языком оптометристов, преломляется. Классическая демонстрация этого явления – помещение соломинки в прозрачный стакан с водой. Так как, переходя из воздуха в воду, свет преломляется, соломка на пересечении воздуха и воды воспринимается изогнутой.
Другой, более эффектный способ продемонстрировать преломление, – это проведение небольшого эксперимента. Материалы, требующиеся для эксперимента, следующие: лист бумаги для заметок, фломастер, прозрачный пустой стакан и немного воды. Не удивлюсь, если вы отыщете пример демонстрации в Интернете, если этих материалов не окажется под рукой[37]. Нарисуйте стрелку на листке и прислоните его к чему-нибудь, чтобы она стояла вертикально. Поместите пустой стакан перед стрелкой, оставив не менее 2,5 см между стаканом и листом. Посмотрите на стрелку через стекло. Теперь наполните стакан водой и посмотрите сквозь него снова. Стрелка меняет направление! Когда лучи света преломляются при попадании в воду (и дважды – в стекло), это создает оптическую иллюзию, и мы воспринимаем стрелку перевернутой.
В действительности даже до добавления воды стрелка должна была стать размытой, если смотреть на нее через пустой стакан, потому что стекло также обладает эффектом преломления света. Свет распространяется сквозь стекло еще медленнее (со скоростью около 200 000 км/с), чем сквозь воздух и воду. Многие из нас извлекают пользу из этого факта, помещая стекло перед глазами для компенсации несовершенной работы роговицы и хрусталика по преломлению света. Безусловно, стекло должно иметь правильную форму, чтобы осуществить нужную коррекцию. Добиться точной, правильной формы – задача нетривиальная. Вот почему оптометристы обеспечивают себе безбедную жизнь, а изготовленные по индивидуальному рецепту корректирующие очки стоят намного дороже обычных стеклянных.
Так зачем нужна вода в глазах, если она преломляет свет, ведя к возможным осложнениям? Почему не развились сухие глаза, что устранило бы различие показателей преломления воздуха и воды?
Ответ, как и следовало ожидать после вводной метафоры о машинах-амфибиях, состоит в том, что наши органы зрения изначально эволюционировали в воде. В океане водянистые глаза преимущественно решают проблемы преломления, нежели создают их. Свет искривляется при попадании в воду, но жидкость в глазах не дает ему искривиться вновь. Наличие наполненных воздухом глаз означало бы двойное искажение света. Некоторые жидкости и близлежащие клетки затвердели, образовав хрусталик, который помогает фокусировать свет и обеспечивать неожиданную степень остроты зрения. Подводный мир стал местом, где ты либо глядишь в оба, либо будешь съеден. Самые эффективные хищники имели лучшие зрительные органы и передавали потомкам свои особенности высокой четкости и остроты зрения. Потенциальная жертва с лучшим зрением переживала нападение, потому что могла увидеть приближающуюся беду и найти место, где можно спрятаться. Они выживали, спаривались и передавали навыки потомству. Ничто так не ускоряет эволюцию, как хорошая анатомическая гонка вооружений.
У глаз уже была эффективная структура, когда несколько амбициозных рыб попытали счастья провести время вне воды. Свет, попадавший ранее точно на сетчатку, теперь рассредоточивался по всему глазу. Коррекция преломления, обеспечиваемая водянистыми глазами, в итоге стала для преломления помехой.
Вопрос о том, почему некоторые рыбы впервые вышли из воды, вызывает жаркие споры. Сказать, что они сделали это, чтобы сбежать от агрессивных зубастых морских обитателей, скорее всего, будет грубым упрощением. Одни из первых исследований на эту тему указывают, что ранние наземные позвоночные приспосабливались к жизни вне воды, чтобы адаптироваться к водной среде, которая менялась от прилива к отливу[38]. Высохший пруд очень быстро оказывает серьезное селективное давление. Возможно, здесь сыграло свою роль и избегание хищников, но другие ученые утверждают, что этот процесс продвигало увеличение возможностей добывать пищу в приливной зоне или на мелководье лесистой поймы[39]. Наблюдение за существующим и в наши дни илистым прыгуном, который покидает воду и заглатывает добычу на обнажаемых во время отлива пляжах, служит убедительным аргументом в пользу гипотезы о возможностях добычи пищи[40].
Окончательный ответ на вопрос о происхождении наземных позвоночных, вероятно, лежит в некой комбинации событий. Вне зависимости от того, почему некоторые рыбы покинули воду, для нашего обсуждения важно лишь то, что они это сделали. Переход из воды на сушу решил судьбу глаз. С того времени это была тяжелая битва за наше зрение. Но к настоящему моменту мы так долго пробыли на суше, что теперь наше зрение в воде ужасно. Чтобы четко видеть любую деталь в воде, нам необходимо имитировать наземную среду, окружив глаза воздухом, что мы делаем с помощью очков для плавания и маски. Первым амфибиям, вероятно, было бы гораздо проще, если бы они могли перемещаться в очках, наполненных водой.
Жидкость в глазах не просто преломляет свет, она также критически важна для поддержания внутриглазного давления. Без давления, создаваемого жидкостью, глаз сдулся бы, как воздушный шарик. Если роговица подсыхает, она быстро повреждается, вызывая боль и раздражение. Сухая сетчатка бесполезна. Извлеките хрусталик из стекловидного тела, и он будет преломлять свет не эффективнее мрамора. У нас есть целый набор анатомических и поведенческих схем, защищающих все части наших глаз от высыхания. Эта постоянная борьба велась с тех пор, как наши далекие предки покинули воду.
Первое и самое главное – наши «ветровые стекла», роговицы, должны оставаться влажными, и мы тратим ошеломляющее количество энергии на то, чтобы они не подсыхали. Наши «ветровые стекла» увлажняет моргание. Если глаза не моргают хотя бы минуту-две, они быстро теряют способность фокусироваться. В среднем во время бодрствования мы моргаем примерно 15 раз в минуту. Если подсчитать, на 16-часовой день бодрствования приходится более 14 000 морганий. Когда мы не спим, то проводим до 10 % времени с закрытыми глазами, двигая нашими «стеклоочистителями».
Частое моргание требует большого количества очистительной жидкости. Основную ее часть производят слезные железы, расположенные над глазами. Как и жидкость для стеклоочистителей, слезы не на 100 % состоят из воды, а представляют собой некий коктейльный раствор. Разные обстоятельства требуют жидкостей разного состава. Базальные слезы насыщены солями и другими растворимыми веществами и ответственны за поддержание влажности роговицы. Со слезами выделяется и избыток соли, если ее концентрация в организме становится чрезмерно высокой. К слезной жидкости подмешивается некоторое количество слизи, позволяющей базальным слезам покрывать роговицу. Также присутствуют некоторые антитела и антибактериальные ферменты, помогающие бороться с любой инфекцией, которая пытается использовать глаза как точку входа в организм. Любая такая точка требует повышенного уровня защиты. Преимущественно водный раствор, вырабатываемый слезными железами, впитывает некоторые масла, которые вырабатываются другими, более мелкими железами вокруг век. Масла имеют решающее значение для удержания слез возле глаз. Без масел слезы потекли бы по щекам, что противоречило бы их назначению (и давало бы ощущение неловкости).
Всем этим слезам нужно куда-то деваться. Вот тут-то и вступают в действие слезные протоки. Как и бо́льшая часть нашей анатомии, слезные протоки – это одна из тех структур, о которых мы редко задумываемся, пока они не перестают работать должным образом. Слезные протоки представляют собой дренажные каналы на внутренних краях глаз. В нормальных условиях слезы стекают по протокам в полость носа. Носовая полость соединяется с полостью рта и горлом (неугомонные дети выясняют это с помощью длинной соломки спагетти), и бо́льшая часть этих слез наконец проглатывается. В общей сложности это около 300 миллилитров в день, что является немалым количеством жидкости. Это почти полная слез банка «Кока-Колы» в день. Закупорка слезного протока может стать неприятным событием, ведущим к опуханию и воспалению уголков глаза.
Бывают и другие ситуации, когда слезные железы выходят за пределы своей основной «должностной инструкции» по поддержанию глаз влажными. Когда слезные железы обнаруживают присутствие раздражителя, они продуцируют жидкость иного состава, называемую рефлекторными слезами. Такие слезы почти полностью состоят из воды и текут, когда вам в глаз попадает песчинка или когда вы нарезаете лук. Их назначение состоит в промывании и очищении глаз от раздражителей и инородных тел.
Третий тип слез – эмоциональные. Они могут появиться при просмотре душещипательного фильма, а в случае с моей дочерью потекли однажды утром, когда я сказал ей, что она должна надеть носки и туфли, если хочет пойти на улицу. Малышка категорически не согласилась с условиями сделки, и водопровод был запущен. (В свою защиту скажу, что мы живем в штате Айдахо и дело было в середине зимы.) В подобных экстремальных случаях эмоционального стресса слезные железы выделяют гораздо больше жидкости, чем необходимо для простого смачивания поверхностей, и тогда дренажные системы не справляются. Эмоциональные слезы бегут по щекам, а если дело доходит до полноценных рыданий (чего, к счастью, не случилось в то утро), некоторая часть слез даже вытекает из носа, вместо того, чтобы спуститься в горло (носовая полость, как это ни удивительно, тоже связана с носом).