Wiązki mitochondriów (żółte) wewnątrz stożków fotoreceptorów świstaków odgrywają nieoczekiwaną rolę w dokładniejszym ogniskowaniu światła rozproszonego (świecenie od dołu) (wiązka niebieska).To zachowanie optyczne może poprawić widzenie, dzięki czemu pigmenty w komórkach czopków skuteczniej wychwytują światło.
Komar obserwuje cię przez układ mikrosoczewek.Odwracasz głowę, trzymasz packę na muchy w dłoni i patrzysz na wampira swoim pokornym okiem z jedną soczewką.Ale okazuje się, że możesz zobaczyć siebie – i świat – więcej niż myślisz.
Badanie opublikowane w zeszłym miesiącu w czasopiśmie Science Advances wykazało, że wewnątrz oka ssaków mitochondria, organelle odżywiające komórki, mogą pełnić drugą rolę mikrosoczewek, pomagając skupić światło na fotopigmentach, pigmenty te przekształcają światło w sygnały nerwowe dla mózgu. interpretować.Odkrycia pokazują uderzające podobieństwa między oczami ssaków a złożonymi oczami owadów i innych stawonogów, co sugeruje, że nasze własne oczy mają ukrytą złożoność optyczną i że ewolucja uczyniła bardzo starożytną część naszej anatomii komórkowej, którą można znaleźć do nowych zastosowań.
Soczewka z przodu oka skupia światło z otoczenia na cienkiej warstwie tkanki z tyłu, zwanej siatkówką.Tam komórki fotoreceptorowe – czopki, które barwią nasz świat i pręciki, które pomagają nam poruszać się w słabym świetle – pochłaniają światło i przekształcają je w sygnały neuronowe, które trafiają do mózgu.Ale fotopigmenty znajdują się na samym końcu fotoreceptorów, tuż za grubą wiązką mitochondrialną.Dziwne ułożenie tego pakietu zamienia mitochondria w pozornie niepotrzebne przeszkody rozpraszające światło.
Mitochondria są „ostatnią barierą” dla cząstek światła, powiedział Wei Li, starszy badacz w National Eye Institute i główny autor artykułu.Przez wiele lat naukowcy zajmujący się wizją nie mogli zrozumieć tego dziwnego układu tych organelli – w końcu mitochondria większości komórek przylegają do ich centralnych organelli – jądra.
Niektórzy naukowcy sugerowali, że te wiązki mogły ewoluować niedaleko miejsca, w którym sygnały świetlne są przekształcane w sygnały neuronowe, energochłonny proces, który umożliwia łatwe pompowanie i szybkie dostarczanie energii.Ale potem badania zaczęły wykazywać, że fotoreceptory nie potrzebują tylu mitochondriów na energię – zamiast tego mogą uzyskać więcej energii w procesie zwanym glikolizą, który zachodzi w galaretowatej cytoplazmie komórki.
Lee i jego zespół dowiedzieli się o roli tych ścieżek mitochondrialnych, analizując komórki czopków susła, małego ssaka, który ma doskonałe widzenie w dzień, ale w rzeczywistości jest ślepy w nocy, ponieważ jego fotoreceptory stożkowe są nieproporcjonalnie duże.
Po tym, jak symulacje komputerowe wykazały, że wiązki mitochondrialne mogą mieć właściwości optyczne, Lee i jego zespół rozpoczęli eksperymenty na rzeczywistych obiektach.Użyli cienkich próbek wiewiórczych siatkówek, a większość komórek została usunięta z wyjątkiem kilku czopków, więc „dostali tylko worek mitochondriów” starannie zapakowany w błonę, powiedział Lee.
Oświetlając tę próbkę i dokładnie badając ją pod specjalnym mikroskopem konfokalnym zaprojektowanym przez Johna Balla, naukowca z laboratorium Lee i głównego autora badania, znaleźliśmy nieoczekiwany wynik.Światło przechodzące przez wiązkę mitochondrialną pojawia się jako jasna, ostro skupiona wiązka.Naukowcy zrobili zdjęcia i filmy przedstawiające światło przenikające ciemność przez te mikrosoczewki, w których na żywe zwierzęta czekają fotopigmenty.
Wiązka mitochondrialna odgrywa kluczową rolę, nie jako przeszkoda, ale w dostarczaniu jak największej ilości światła do fotoreceptorów przy minimalnej utracie, mówi Li.
Korzystając z symulacji, on i jego koledzy potwierdzili, że efekt soczewki jest spowodowany przede wszystkim przez samą wiązkę mitochondrialną, a nie przez otaczającą ją błonę (chociaż membrana odgrywa pewną rolę).Dziwactwo w historii naturalnej susła pomogło im również wykazać, że kształt wiązki mitochondrialnej ma kluczowe znaczenie dla zdolności koncentracji: w ciągu miesięcy susły zimują, a wiązki mitochondrialne stają się nieuporządkowane i kurczą się.Kiedy naukowcy modelowali, co się dzieje, gdy światło przechodzi przez wiązkę mitochondrialną śpiącej wiewiórki ziemnej, odkryli, że nie skupia ona światła tak bardzo, jak wtedy, gdy jest rozciągnięta i wysoce uporządkowana.
W przeszłości inni naukowcy sugerowali, że wiązki mitochondrialne mogą pomóc w gromadzeniu światła w siatkówce, zauważa Janet Sparrow, profesor okulistyki w Columbia University Medical Center.Jednak pomysł wydawał się dziwny: „Niektórzy ludzie, tacy jak ja, śmiali się i mówili: 'Daj spokój, czy naprawdę masz tak wiele mitochondriów, które prowadzą światło?'- powiedziała.„To naprawdę dokument, który to potwierdza – i jest bardzo dobry”.
Lee i jego koledzy uważają, że to, co zaobserwowali u susłów, może mieć również miejsce u ludzi i innych naczelnych, które mają bardzo podobną strukturę piramidy.Uważają, że może to nawet wyjaśnić zjawisko opisane po raz pierwszy w 1933 roku, zwane efektem Stilesa-Crawforda, w którym światło przechodzące przez sam środek źrenicy jest uważane za jaśniejsze niż światło przechodzące pod kątem.Ponieważ centralne światło może być bardziej skoncentrowane na wiązce mitochondrialnej, naukowcy sądzą, że może być lepiej skoncentrowane na pigmentu stożkowym.Sugerują, że pomiar efektu Stilesa-Crawforda może pomóc we wczesnym wykrywaniu chorób siatkówki, z których wiele prowadzi do uszkodzeń i zmian mitochondrialnych.Zespół Lee chciał przeanalizować, w jaki sposób chore mitochondria inaczej skupiają światło.
To „piękny model eksperymentalny” i bardzo nowe odkrycie, powiedział Yirong Peng, adiunkt okulistyki na UCLA, który nie był zaangażowany w badanie.Interesujące będzie sprawdzenie, czy te wiązki mitochondrialne mogą również funkcjonować wewnątrz pręcików, aby poprawić widzenie w nocy, dodał Peng.
Przynajmniej w czopkach te mitochondria mogły ewoluować w mikrosoczewki, ponieważ ich błony składają się z lipidów, które naturalnie załamują światło, powiedział Lee.„To po prostu najlepszy materiał do filmu”.
Lipidy zdają się również spełniać tę funkcję w innych miejscach w przyrodzie.U ptaków i gadów w siatkówce wykształciły się struktury zwane kropelkami oleju, które służą jako filtry kolorów, ale uważa się również, że działają jako mikrosoczewki, takie jak wiązki mitochondrialne.W wielkim przypadku zbieżnej ewolucji, ptaków krążących nad głową, komarów bzyczących wokół swojej cudownej ludzkiej ofiary, czytasz to za pomocą odpowiednich cech optycznych, które wyewoluowały niezależnie – adaptacje, które przyciągają widzów.Oto jasny i jasny świat.
Od redakcji: Yirong Peng otrzymał wsparcie Klingenstein-Simons Fellowship, projektu wspieranego częściowo przez Simons Foundation, która również finansuje to niezależnie wydawane czasopismo.Decyzja o finansowaniu Fundacji Simmonsa nie ma wpływu na naszą sprawozdawczość.
Poprawka: 6 kwietnia 2022 r. Tytuł głównego obrazu początkowo błędnie określał kolor wiązek mitochondrialnych jako fioletowy zamiast żółtego.Fioletowe zabarwienie jest związane z błoną otaczającą wiązkę.
Magazyn Quanta moderuje recenzje w celu promowania świadomego, znaczącego i cywilizowanego dialogu.Komentarze obraźliwe, bluźniercze, autopromocyjne, wprowadzające w błąd, niespójne lub nie na temat będą odrzucane.Moderatorzy są otwarci w normalnych godzinach pracy (czasu nowojorskiego) i mogą przyjmować tylko komentarze napisane w języku angielskim.
Czas publikacji: 22 sierpnia-2022
