Szem (látószerv): felépítés, működés és gyakori problémák

Ma már tíz különböző szemtípus ismert. A legtöbb képrögzítési mód legalább egyszer továbbfejlődött.

A szemek kategorizálásának egyik módja a "kamrák" száma. Az egyszerű szemek csak egy homorú kamrából állnak, esetleg egy lencsével. Az összetett szemek sok ilyen kamrával rendelkeznek, amelyek lencséje domború felületen helyezkedik el.

A szemek a fotoreceptorok kialakulása szerint is csoportosíthatók. A fotoreceptorok vagy cilláltak, vagy rabdomikusak, és néhány gyűrűsgyík mindkettővel rendelkezik.

Egyszerű szemek

Gödrös szemek

A gödrös szemek a bőrben lévő mélyedésben helyezkednek el. Ez csökkenti a fény bejutási szögét. Ez lehetővé teszi a szervezet számára, hogy megmondja, honnan jön a fény.

Ilyen szemek a törzsek mintegy 85%-ánál találhatók. Valószínűleg még az összetettebb szemek kialakulása előtt keletkeztek. A gödörszemek kicsik. Legfeljebb mintegy száz sejtből állnak, és körülbelül 100 µm-es területet fednek le. Az irányíthatóság javítható a nyílás méretének csökkentésével, valamint a receptorsejtek mögé egy fényvisszaverő réteget helyezve.

Pinhole szem

A lyukszem a gödörszem egy fejlett formája. Több részlete van, leginkább a kis nyílás és a mély gödör. Néha a nyílás megváltoztatható. Csak a Nautilusban található meg. A képet fókuszáló lencse nélkül homályos képet produkál. Következésképpen a Nautilusok nem képesek megkülönböztetni a 11°-nál kisebb távolságban lévő tárgyakat. A nyílás szűkítése élesebb képet eredményezne, de kevesebb fényt engedne be.

Szférikus lencsés szem

A gödörszemek felbontása sokat javítható egy lencsét alkotó anyag hozzáadásával. Ez csökkenti az elmosódás sugarát, és növeli az elérhető felbontást. A legalapvetőbb forma még mindig látható néhány csigafélénél és gyűrűslábúnál. Ezeknek a szemeknek egy törésmutatójú lencséjük van. Jobb képet lehet kapni olyan anyagokkal, amelyeknek magas a törésmutatója, ami a szélek felé csökken. Ez csökkenti a fókusztávolságot, és lehetővé teszi, hogy éles kép alakuljon ki a retinán.

Ez a szem olyan éles képet készít, hogy a szem mozgása jelentős elmosódást okozhat. Az állat mozgása közbeni szemmozgás hatásának minimalizálása érdekében a legtöbb ilyen szem stabilizáló szemizmokkal rendelkezik.

A rovarok okcellái egyszerű lencsével rendelkeznek, de a fókuszpontjuk mindig a retina mögött van.Soha nem tudnak éles képet alkotni. Ez korlátozza a szem működését. Az ízeltlábúak okcellái (gödörszerű szemei) az egész retinán keresztül homályosítják a képet. Nagyon jól reagálnak a fényintenzitás gyors változásaira az egész látómezőben - ezt a gyors reakciót még inkább felgyorsítják a nagy idegkötegek, amelyek az információt az agyba továbbítják. A kép fókuszálása azt is eredményezné, hogy a nap képe néhány receptorra fókuszálódna. Ezeket az intenzív fény esetleg károsíthatja; a receptorok árnyékolása elzárná a fény egy részét, és csökkentené érzékenységüket.

Ez a gyors reakció vezetett ahhoz a feltételezéshez, hogy a rovarok okcelláit elsősorban repülés közben használják, mert így érzékelik a hirtelen változást, hogy merre van felfelé (mivel a fény, különösen a növényzet által elnyelt UV-fény általában felülről érkezik).

Szaruhártya fénytörés

A legtöbb szárazföldi gerinces állat (valamint egyes pókok és rovarlárvák) szeme olyan folyadékot tartalmaz, amelynek törésmutatója magasabb, mint a levegőé. A szaruhártya élesen ívelt, és a fényt a fókusz felé törik meg. A lencsének nem kell az összes fénytörést elvégeznie. Így a lencse könnyebben beállíthatja a fókuszt, ami sokkal nagyobb felbontást tesz lehetővé.

Reflektor szemek

A lencse helyett az is lehetséges, hogy a szem belsejében olyan sejtek legyenek, amelyek tükörként viselkednek. A képet ilyenkor tükrözve egy központi pontra lehet fókuszálni. Ez a kialakítás azt is jelenti, hogy ha valaki egy ilyen szembe néz, ugyanazt a képet fogja látni, mint az a szervezet, amelyiknek van ilyen szeme.

Sok kis élőlény, például a cigányrákok, a káposztafélék és a bélférgek is ilyen kialakításúak, de szemük túl kicsi ahhoz, hogy használható képeket készítsenek. Néhány nagyobb élőlény, például a fésűkagylók is használnak tükörszemet. A Pecten fésűkagylónak akár 100 milliméteres nagyságrendű fényvisszaverő szemei vannak, amelyek a héja szélét szegélyezik. A mozgó tárgyakat akkor érzékeli, amikor azok egymás után következő lencsék mellett haladnak el.

Összetett szemek

Az összetett szemek különböznek az egyszerű szemektől. Ahelyett, hogy egyetlen fényérzékelő szervük lenne, több ilyen szervet állítanak össze. Néhány összetett szemnek több ezer ilyen szerve van. Az így kapott képet az agyban állítják össze a sok szemegység jelzései alapján. Minden ilyen egységet ommatídiumnak, több ilyen egységet ommatídiumnak neveznek. Az ommatídiumok egy domború felületen helyezkednek el, mindegyik enyhén eltérő irányba mutat. Az egyszerű szemekkel ellentétben az összetett szemek nagyon nagy látószöggel rendelkeznek. Képesek a gyors mozgást, és néha a fény polarizációját is érzékelni.

Az összetett szemek gyakoriak az ízeltlábúaknál, a gyűrűsállatoknál és néhány kéthéjú kagylónál.

A szemek evolúciója a legegyszerűbb fényérzékeny foltokkal kezdődött az egysejtűeknél. Ezek a szemfoltok nem tesznek mást, mint érzékelik, hogy a környezet világos vagy sötét. A legtöbb állat belsejében biokémiai "óra" található. Ezek az egyszerű szemfoltok szolgálnak ennek a napi órának a beállítására, amit cirkadián ritmusnak nevezünk. Egyes csigák például egyáltalán nem látnak képet (képet), de érzékelik a fényt, ami segít nekik távol maradni az erős napfénytől.

Az összetettebb szemek nem veszítették el ezt a funkciót. A szem egy speciális sejttípusa a látástól eltérő céllal érzékeli a fényt. Ezeket a sejteket ganglionsejteknek nevezik. Ezek a retinában találhatók. A fényről szóló információikat egy másik úton (a retinohypothalamikus pályán) továbbítják az agyba. Ez az információ igazítja (szinkronizálja) az állat cirkadián ritmusát a természet 24 órás fény/sötét ciklusához. A rendszer egyes vak embereknél is működik, akik egyáltalán nem látják a fényt.

A kicsit jobb szemek csésze alakúak, így az állat tudja, honnan jön a fény.

Az összetettebb szemek a látás teljes érzékelését biztosítják, beleértve a színeket, a mozgást és a textúrát. Ezek a szemek kerek alakúak, így a fénysugarak a szem hátsó, retinának nevezett részére fókuszálódnak.

Egyéb

Az olyan jól repülő rovarok, mint a legyek vagy a mézelő méhek, vagy a zsákmányt fogó rovarok, mint az imádkozó sáska vagy a szitakötő, az ommatidiumok speciális zónáival rendelkeznek, amelyek egy fovea területre szerveződnek, ami éles látást biztosít. Ebben a zónában a szemek lapítottak, és a fakszetek nagyobbak. A lapítás lehetővé teszi, hogy több ommatídia kapja a fényt egy pontból. Ez nagyobb felbontást eredményez.

Az Ophiocoma wendtii, a törékeny csillagok egyik fajtájának testét ommatidiumok borítják, így az egész bőre összetett szemmé alakul. Ugyanez igaz sok chitonra is.