Δέσμες μιτοχονδρίων (κίτρινο) μέσα σε κώνους φωτοϋποδοχέα γοφερ παίζουν έναν απροσδόκητο ρόλο στην ακριβέστερη εστίαση του διάχυτου φωτός (λάμψη από κάτω) (μπλε δέσμη).Αυτή η οπτική συμπεριφορά μπορεί να βελτιώσει την όραση καθιστώντας τις χρωστικές σε κωνικά κύτταρα πιο αποτελεσματικές στη σύλληψη φωτός.
Ένα κουνούπι σας παρακολουθεί μέσα από μια σειρά μικροφακών.Γυρίζεις το κεφάλι σου, κρατάς τη μυγούρα στο χέρι σου και κοιτάς τον βρικόλακα με το ταπεινό σου μάτι.Αλλά αποδεικνύεται ότι μπορείτε να δείτε ο ένας τον άλλον – και τον κόσμο – περισσότερο από όσο νομίζετε.
Μια μελέτη που δημοσιεύτηκε τον περασμένο μήνα στο περιοδικό Science Advances διαπίστωσε ότι μέσα στο μάτι των θηλαστικών, τα μιτοχόνδρια, τα οργανίδια που θρέφουν τα κύτταρα, μπορούν να πάρουν έναν δεύτερο ρόλο μικροφακού, βοηθώντας στην εστίαση του φωτός στις φωτοχρωστικές, αυτές οι χρωστικές μετατρέπουν το φως σε νευρικά σήματα για τον εγκέφαλο. ερμηνεύω.Τα ευρήματα δείχνουν εντυπωσιακές ομοιότητες μεταξύ των ματιών των θηλαστικών και των σύνθετων ματιών των εντόμων και άλλων αρθροπόδων, υποδηλώνοντας ότι τα δικά μας μάτια έχουν λανθάνουσα οπτική πολυπλοκότητα και ότι η εξέλιξη έχει κάνει ένα πολύ αρχαίο μέρος της κυτταρικής μας ανατομίας που βρέθηκε για νέες χρήσεις.
Ο φακός στο μπροστινό μέρος του ματιού εστιάζει το φως από το περιβάλλον σε ένα λεπτό στρώμα ιστού στο πίσω μέρος, που ονομάζεται αμφιβληστροειδής.Εκεί, τα κύτταρα φωτοϋποδοχέα - οι κώνοι που χρωματίζουν τον κόσμο μας και οι ράβδοι που μας βοηθούν να πλοηγηθούμε σε χαμηλό φωτισμό - απορροφούν το φως και το μετατρέπουν σε νευρικά σήματα που πηγαίνουν στον εγκέφαλο.Αλλά οι φωτοχρωστικές εντοπίζονται στο άκρο των φωτοϋποδοχέων, ακριβώς πίσω από την παχιά μιτοχονδριακή δέσμη.Η περίεργη διάταξη αυτής της δέσμης μετατρέπει τα μιτοχόνδρια σε φαινομενικά περιττά εμπόδια σκέδασης φωτός.
Τα μιτοχόνδρια είναι το «τελευταίο φράγμα» στα σωματίδια φωτός, δήλωσε ο Wei Li, ανώτερος ερευνητής στο Εθνικό Ινστιτούτο Οφθαλμών και επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας.Για πολλά χρόνια, οι επιστήμονες της όρασης δεν μπορούσαν να καταλάβουν αυτή την παράξενη διάταξη αυτών των οργανιδίων – εξάλλου, τα μιτοχόνδρια των περισσότερων κυττάρων προσκολλώνται στο κεντρικό τους οργανίδιο – τον πυρήνα.
Μερικοί επιστήμονες έχουν προτείνει ότι αυτές οι δέσμες μπορεί να έχουν εξελιχθεί όχι πολύ μακριά από το σημείο όπου τα φωτεινά σήματα μετατρέπονται σε νευρικά σήματα, μια ενεργοβόρα διαδικασία που επιτρέπει στην ενέργεια να αντλείται εύκολα και να παρέχεται γρήγορα.Στη συνέχεια, όμως, άρχισε η έρευνα να δείχνει ότι οι φωτοϋποδοχείς δεν χρειάζονται τόσα μιτοχόνδρια για ενέργεια - αντίθετα, μπορούν να πάρουν περισσότερη ενέργεια σε μια διαδικασία που ονομάζεται γλυκόλυση, η οποία συμβαίνει στο ζελατινώδες κυτταρόπλασμα του κυττάρου.
Ο Lee και η ομάδα του έμαθαν για το ρόλο αυτών των μιτοχονδριακών οδών αναλύοντας τα κωνικά κύτταρα ενός γοφάρι, ενός μικρού θηλαστικού που έχει εξαιρετική ημερήσια όραση αλλά είναι στην πραγματικότητα τυφλό τη νύχτα επειδή οι φωτοϋποδοχείς του κώνου είναι δυσανάλογα μεγάλοι.
Αφού οι προσομοιώσεις σε υπολογιστή έδειξαν ότι οι μιτοχονδριακές δέσμες θα μπορούσαν να έχουν οπτικές ιδιότητες, ο Lee και η ομάδα του ξεκίνησαν πειράματα σε πραγματικά αντικείμενα.Χρησιμοποίησαν λεπτά δείγματα αμφιβληστροειδούς σκίουρου και τα περισσότερα κύτταρα αφαιρέθηκαν εκτός από μερικούς κώνους, έτσι «είχαν μόνο μια σακούλα μιτοχόνδρια» τακτοποιημένα μέσα σε μια μεμβράνη, είπε ο Lee.
Φωτίζοντας αυτό το δείγμα και εξετάζοντάς το προσεκτικά κάτω από ένα ειδικό ομοεστιακό μικροσκόπιο που σχεδιάστηκε από τον John Ball, έναν επιστήμονα στο εργαστήριο του Lee και επικεφαλής συγγραφέα της μελέτης, βρήκαμε ένα απροσδόκητο αποτέλεσμα.Το φως που διέρχεται από τη μιτοχονδριακή δέσμη εμφανίζεται ως μια φωτεινή, έντονα εστιασμένη δέσμη.Οι ερευνητές τράβηξαν φωτογραφίες και βίντεο του φωτός που διεισδύει στο σκοτάδι μέσω αυτών των μικροφακών, όπου οι φωτοχρωστικές περιμένουν σε ζωντανά ζώα.
Η μιτοχονδριακή δέσμη παίζει βασικό ρόλο, όχι ως εμπόδιο, αλλά στην παροχή όσο το δυνατόν περισσότερου φωτός στους φωτοϋποδοχείς με ελάχιστη απώλεια, λέει ο Li.
Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις, ο ίδιος και οι συνεργάτες του επιβεβαίωσαν ότι το φαινόμενο του φακού προκαλείται κυρίως από την ίδια τη μιτοχονδριακή δέσμη και όχι από τη μεμβράνη γύρω από αυτήν (αν και η μεμβράνη παίζει ρόλο).Μια ιδιορρυθμία της φυσικής ιστορίας του γόφερ τους βοήθησε επίσης να αποδείξουν ότι το σχήμα της μιτοχονδριακής δέσμης είναι κρίσιμο για την ικανότητά του να εστιάζεται: κατά τη διάρκεια των μηνών που το γοφάρι πέφτει σε χειμερία νάρκη, τα μιτοχονδριακά του δεμάτια διαταράσσονται και συρρικνώνονται.Όταν οι ερευνητές μοντελοποίησαν τι συμβαίνει όταν το φως διέρχεται από τη μιτοχονδριακή δέσμη ενός κοιμισμένου σκίουρου, διαπίστωσαν ότι δεν συγκεντρώνει το φως τόσο πολύ όσο όταν τεντώνεται και είναι πολύ διατεταγμένο.
Στο παρελθόν, άλλοι επιστήμονες είχαν προτείνει ότι οι μιτοχονδριακές δέσμες θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη συλλογή φωτός στον αμφιβληστροειδή, σημειώνει η Janet Sparrow, καθηγήτρια οφθαλμολογίας στο Ιατρικό Κέντρο του Πανεπιστημίου Κολούμπια.Ωστόσο, η ιδέα φαινόταν περίεργη: «Κάποιοι άνθρωποι σαν εμένα γέλασαν και είπαν, "Έλα, έχεις πραγματικά τόσα πολλά μιτοχόνδρια για να καθοδηγήσουν το φως;"- είπε."Είναι πραγματικά ένα έγγραφο που το αποδεικνύει - και είναι πολύ καλό."
Ο Lee και οι συνεργάτες του πιστεύουν ότι αυτό που παρατήρησαν στα γοφάρια θα μπορούσε επίσης να συμβαίνει σε ανθρώπους και άλλα πρωτεύοντα, τα οποία έχουν παρόμοια πυραμιδική δομή.Πιστεύουν ότι μπορεί ακόμη και να εξηγήσει ένα φαινόμενο που περιγράφηκε για πρώτη φορά το 1933 που ονομάζεται φαινόμενο Stiles-Crawford, στο οποίο το φως που διέρχεται από το κέντρο της κόρης θεωρείται φωτεινότερο από το φως που περνά υπό γωνία.Επειδή το κεντρικό φως μπορεί να εστιάζεται περισσότερο στη μιτοχονδριακή δέσμη, οι ερευνητές πιστεύουν ότι θα μπορούσε να εστιαστεί καλύτερα στη χρωστική ουσία του κώνου.Προτείνουν ότι η μέτρηση του φαινομένου Stiles-Crawford θα μπορούσε να βοηθήσει στην έγκαιρη ανίχνευση ασθενειών του αμφιβληστροειδούς, πολλές από τις οποίες οδηγούν σε μιτοχονδριακή βλάβη και αλλαγές.Η ομάδα του Lee ήθελε να αναλύσει πώς τα άρρωστα μιτοχόνδρια εστιάζουν το φως διαφορετικά.
Είναι ένα «όμορφο πειραματικό μοντέλο» και μια πολύ νέα ανακάλυψη, είπε ο Yirong Peng, επίκουρος καθηγητής οφθαλμολογίας στο UCLA που δεν συμμετείχε στη μελέτη.Θα είναι ενδιαφέρον να δούμε αν αυτές οι μιτοχονδριακές δέσμες μπορούν επίσης να λειτουργήσουν μέσα σε ράβδους για τη βελτίωση της νυχτερινής όρασης, πρόσθεσε ο Peng.
Τουλάχιστον στους κώνους, αυτά τα μιτοχόνδρια θα μπορούσαν να έχουν εξελιχθεί σε μικροφακούς επειδή οι μεμβράνες τους αποτελούνται από λιπίδια που διαθλούν φυσικά το φως, είπε ο Lee."Είναι απλά το καλύτερο υλικό για το χαρακτηριστικό."
Τα λιπίδια φαίνεται επίσης να βρίσκουν αυτή τη λειτουργία αλλού στη φύση.Στα πουλιά και τα ερπετά, δομές που ονομάζονται σταγονίδια ελαίου έχουν αναπτυχθεί στον αμφιβληστροειδή που χρησιμεύουν ως χρωματικά φίλτρα, αλλά πιστεύεται ότι λειτουργούν και ως μικροφακοί, όπως οι μιτοχονδριακές δέσμες.Σε μια μεγάλη περίπτωση συγκλίνουσας εξέλιξης, πουλιά να κάνουν κύκλους πάνω από το κεφάλι τους, κουνούπια να βουίζουν γύρω από την υπέροχη ανθρώπινη λεία τους, το διαβάζετε με κατάλληλα οπτικά χαρακτηριστικά που έχουν εξελιχθεί ανεξάρτητα – προσαρμογές που προσελκύουν θεατές.Εδώ έρχεται ένας κόσμος καθαρός και φωτεινός.
Σημείωση του συντάκτη: Ο Yirong Peng έλαβε την υποστήριξη της υποτροφίας Klingenstein-Simons, ενός έργου που υποστηρίζεται εν μέρει από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το ανεξάρτητο επιμελημένο περιοδικό.Η απόφαση χρηματοδότησης του Ιδρύματος Simmons δεν επηρεάζει τις αναφορές μας.
Διόρθωση: 6 Απριλίου 2022 Ο τίτλος της κύριας εικόνας αρχικά προσδιόριζε εσφαλμένα το χρώμα των μιτοχονδριακών δεσμίδων ως μωβ αντί για κίτρινο.Η μωβ χρώση σχετίζεται με τη μεμβράνη που περιβάλλει τη δέσμη.
Το περιοδικό Quanta συντονίζει κριτικές για να προωθήσει έναν ενημερωμένο, ουσιαστικό και πολιτισμένο διάλογο.Σχόλια που είναι προσβλητικά, βλάσφημα, αυτοπροβολής, παραπλανητικά, ασυνάρτητα ή εκτός θέματος θα απορρίπτονται.Οι συντονιστές είναι ανοιχτοί κατά τις κανονικές εργάσιμες ώρες (ώρα Νέας Υόρκης) και μπορούν να δέχονται μόνο σχόλια γραμμένα στα αγγλικά.
Ώρα ανάρτησης: 22 Αυγούστου 2022
