Снопове митохондрии (жълти) във фоторецепторните конуси на гофер играят неочаквана роля за по-прецизно фокусиране на дифузна светлина (светене отдолу) (син лъч).Това оптично поведение може да подобри зрението, като направи пигментите в конусните клетки по-ефективни при улавяне на светлина.
Комар ви наблюдава през масив от микролещи.Обръщаш глава, държиш мухоловката в ръката си и гледаш вампира със смиреното си око с една леща.Но се оказва, че можете да видите един друг – и света – повече, отколкото си мислите.
Проучване, публикувано миналия месец в списанието Science Advances, установи, че вътре в окото на бозайника, митохондриите, подхранващи клетките органели, могат да поемат ролята на втора микролеща, помагайки за фокусирането на светлината върху фотопигментите, тези пигменти преобразуват светлината в нервни сигнали за мозъка тълкувам.Констатациите показват удивителни прилики между очите на бозайниците и сложните очи на насекоми и други членестоноги, което предполага, че нашите собствени очи имат латентна оптична сложност и че еволюцията е направила много древна част от нашата клетъчна анатомия открита за нови приложения.
Лещата в предната част на окото фокусира светлината от околната среда върху тънък слой тъкан в задната част, наречен ретина.Там фоторецепторните клетки – колбичките, които оцветяват нашия свят, и пръчиците, които ни помагат да се ориентираме при слаба светлина – абсорбират светлината и я преобразуват в невронни сигнали, които отиват в мозъка.Но фотопигментите са разположени в самия край на фоторецепторите, непосредствено зад дебелия митохондриален сноп.Странното разположение на този пакет превръща митохондриите в привидно ненужни препятствия за разпръскване на светлина.
Митохондриите са „последната бариера“ за светлинните частици, каза Вей Ли, старши изследовател в Националния очен институт и водещ автор на статията.В продължение на много години учените по зрението не можеха да разберат тази странна подредба на тези органели – в края на краищата митохондриите на повечето клетки се придържат към централната си органела – ядрото.
Някои учени предполагат, че тези лъчи може да са еволюирали недалеч от мястото, където светлинните сигнали се преобразуват в невронни сигнали, енергоемък процес, който позволява енергията лесно да се изпомпва и доставя бързо.Но след това изследванията започнаха да показват, че фоторецепторите не се нуждаят от толкова много митохондрии за енергия - вместо това те могат да получат повече енергия в процес, наречен гликолиза, който се случва в желатиновата цитоплазма на клетката.
Лий и неговият екип научиха за ролята на тези митохондриални трактове, като анализираха конусовите клетки на гофер, малък бозайник, който има отлично зрение през деня, но всъщност е сляп през нощта, защото неговите конусовидни фоторецептори са непропорционално големи.
След като компютърни симулации показаха, че митохондриалните снопове могат да имат оптични свойства, Лий и неговият екип започнаха експерименти върху реални обекти.Те използваха тънки проби от ретината на катерица и повечето от клетките бяха премахнати с изключение на няколко шишарки, така че те „получиха само торба с митохондрии“, спретнато опаковани в мембрана, каза Лий.
Чрез осветяване на тази проба и внимателно изследване под специален конфокален микроскоп, проектиран от Джон Бол, учен в лабораторията на Лий и водещ автор на изследването, открихме неочакван резултат.Светлината, преминаваща през митохондриалния лъч, изглежда като ярък, рязко фокусиран лъч.Изследователите направиха снимки и видеоклипове на светлина, проникваща в тъмнината през тези микролещи, където фотопигментите очакват в живите животни.
Митохондриалният сноп играе ключова роля, не като пречка, а в доставянето на възможно най-много светлина до фоторецепторите с минимални загуби, казва Ли.
Използвайки симулации, той и колегите му потвърдиха, че ефектът на лещата се причинява основно от самия митохондриален сноп, а не от мембраната около него (въпреки че мембраната играе роля).Странност от естествената история на гофера също им помогна да демонстрират, че формата на митохондриалния сноп е от решаващо значение за способността му да се фокусира: през месеците, в които гоферът спи зимен сън, неговите митохондриални снопчета се разстройват и се свиват.Когато изследователите моделираха какво се случва, когато светлината преминава през митохондриалния сноп на спяща земна катерица, те откриха, че тя не концентрира светлината толкова, колкото когато е разтегната и силно подредена.
В миналото други учени предполагаха, че митохондриалните снопове могат да помогнат за събирането на светлина в ретината, отбелязва Джанет Спароу, професор по офталмология в Медицинския център на Колумбийския университет.Идеята обаче изглеждаше странна: „Някои хора като мен се засмяха и казаха: „Хайде, наистина ли имате толкова много митохондрии, за да направлявате светлината?“- тя каза.„Това наистина е документ, който го доказва – и е много добър.“
Лий и колегите му смятат, че това, което са наблюдавали при гоферите, може да се случи и при хора и други примати, които имат много подобна пирамидална структура.Те смятат, че това може дори да обясни феномен, описан за първи път през 1933 г., наречен ефект на Стайлс-Крауфорд, при който светлината, преминаваща през самия център на зеницата, се счита за по-ярка от светлината, преминаваща под ъгъл.Тъй като централната светлина може да бъде по-фокусирана върху митохондриалния сноп, изследователите смятат, че може да бъде по-добре фокусирана върху пигмента на конуса.Те предполагат, че измерването на ефекта на Стайлс-Крауфорд може да помогне за ранното откриване на заболявания на ретината, много от които водят до увреждане и промени на митохондриите.Екипът на Лий искаше да анализира как болните митохондрии фокусират светлината по различен начин.
Това е „красив експериментален модел“ и много ново откритие, каза Yirong Peng, асистент по офталмология в UCLA, който не е участвал в проучването.Ще бъде интересно да видим дали тези митохондриални снопове могат да функционират и вътре в пръчките, за да подобрят нощното виждане, добави Пенг.
Поне в колбичките тези митохондрии биха могли да се превърнат в микролещи, защото мембраните им са изградени от липиди, които естествено пречупват светлината, каза Лий.„Това е просто най-добрият материал за функцията.“
Липидите също изглежда намират тази функция другаде в природата.При птици и влечуги в ретината са се развили структури, наречени маслени капчици, които служат като цветни филтри, но също така се смята, че функционират като микролещи, като митохондриални снопове.В грандиозен случай на конвергентна еволюция, птици, кръжащи над главата, комари, бръмчащи около възхитителната си човешка плячка, вие четете това с подходящи оптични характеристики, които са еволюирали независимо – адаптации, които привличат зрителите.Ето един ясен и светъл свят.
Бележка на редактора: Yirong Peng получи подкрепата на Klingenstein-Simons Fellowship, проект, подкрепян отчасти от Simons Foundation, която също финансира това независимо редактирано списание.Решението за финансиране на фондация Симънс не засяга нашето отчитане.
Корекция: 6 април 2022 г. Заглавието на основното изображение първоначално неправилно идентифицира цвета на митохондриалните снопове като лилав вместо жълт.Пурпурното оцветяване е свързано с мембраната около снопа.
Списание Quanta модерира рецензии, за да насърчи информиран, смислен и цивилизован диалог.Коментари, които са обидни, богохулни, самореклама, подвеждащи, несвързани или не по темата, ще бъдат отхвърляни.Модераторите са отворени през нормалното работно време (нюйоркско време) и могат да приемат само коментари, написани на английски език.
Време на публикуване: 22 август 2022 г
