Zväzky mitochondrií (žlté) vo vnútri kužeľov fotoreceptorov gopher hrajú neočakávanú úlohu pri presnejšom zaostrovaní difúzneho svetla (žiara zdola) (modrý lúč).Toto optické správanie môže zlepšiť videnie tým, že pigmenty v kužeľových bunkách budú účinnejšie pri zachytávaní svetla.
Cez pole mikrošošoviek vás sleduje komár.Otočíte hlavu, lapačku na muchy držíte v ruke a pozeráte sa na upíra svojim pokorným okom s jednou šošovkou.Ukazuje sa však, že sa navzájom – a svet – vidíte viac, než si myslíte.
Štúdia publikovaná minulý mesiac v časopise Science Advances zistila, že v oku cicavcov môžu mitochondrie, organely vyživujúce bunky, prevziať druhú úlohu mikrošošoviek, ktoré pomáhajú sústrediť svetlo na fotopigmenty. Tieto pigmenty premieňajú svetlo na nervové signály pre mozog. interpretovať.Zistenia ukazujú pozoruhodné podobnosti medzi očami cicavcov a zloženými očami hmyzu a iných článkonožcov, čo naznačuje, že naše vlastné oči majú latentnú optickú zložitosť a že vďaka evolúcii sa veľmi starodávna časť našej bunkovej anatómie našla na nové využitie.
Šošovka v prednej časti oka sústreďuje svetlo z prostredia na tenkú vrstvu tkaniva v zadnej časti, nazývanú sietnica.Tam fotoreceptorové bunky – čapíky, ktoré farbia náš svet a tyčinky, ktoré nám pomáhajú orientovať sa pri slabom osvetlení – absorbujú svetlo a premieňajú ho na nervové signály, ktoré idú do mozgu.Ale fotopigmenty sa nachádzajú na samom konci fotoreceptorov, hneď za hustým mitochondriálnym zväzkom.Zvláštne usporiadanie tohto zväzku mení mitochondrie na zdanlivo zbytočné prekážky rozptyľujúce svetlo.
Mitochondrie sú „poslednou bariérou“ pre častice svetla, povedal Wei Li, vedúci výskumník z National Eye Institute a hlavný autor článku.Vedci zaoberajúci sa zrakom dlhé roky nevedeli pochopiť toto zvláštne usporiadanie týchto organel – koniec koncov, mitochondrie väčšiny buniek lipnú na ich centrálnej organele – jadre.
Niektorí vedci navrhli, že tieto lúče sa mohli vyvinúť neďaleko miesta, kde sa svetelné signály premieňajú na nervové signály, čo je energeticky náročný proces, ktorý umožňuje ľahké čerpanie a rýchle dodávanie energie.Potom však výskum začal ukazovať, že fotoreceptory nepotrebujú na energiu toľko mitochondrií – namiesto toho môžu získať viac energie v procese nazývanom glykolýza, ktorý sa vyskytuje v želatínovej cytoplazme bunky.
Lee a jeho tím sa dozvedeli o úlohe týchto mitochondriálnych traktov analýzou kužeľových buniek gophera, malého cicavca, ktorý má vynikajúce denné videnie, ale v noci je v skutočnosti slepý, pretože jeho kužeľové fotoreceptory sú neúmerne veľké.
Potom, čo počítačové simulácie ukázali, že mitochondriálne zväzky môžu mať optické vlastnosti, Lee a jeho tím začali experimentovať na skutočných objektoch.Použili tenké vzorky sietníc veveričiek a väčšina buniek bola odstránená, s výnimkou niekoľkých čapíkov, takže „dostali len vrece mitochondrií“ úhľadne zabalené vo vnútri membrány, povedal Lee.
Osvetlením tejto vzorky a jej starostlivým skúmaním pod špeciálnym konfokálnym mikroskopom, ktorý navrhol John Ball, vedec v Leeovom laboratóriu a hlavný autor štúdie, sme našli neočakávaný výsledok.Svetlo prechádzajúce mitochondriálnym lúčom sa javí ako jasný, ostro zaostrený lúč.Výskumníci urobili fotografie a videá svetla prenikajúceho do tmy cez tieto mikrošošovky, kde na živé zvieratá čakajú fotopigmenty.
Mitochondriálny zväzok hrá kľúčovú úlohu, nie ako prekážka, ale pri dodávaní čo najväčšieho množstva svetla fotoreceptorom s minimálnou stratou, hovorí Li.
Pomocou simulácií on a jeho kolegovia potvrdili, že efekt šošovky je primárne spôsobený samotným mitochondriálnym zväzkom, a nie membránou okolo neho (aj keď membrána zohráva úlohu).Vtip z prirodzenej histórie gophera im tiež pomohol ukázať, že tvar mitochondriálneho zväzku je rozhodujúci pre jeho schopnosť sústrediť sa: počas mesiacov hibernácie gophera sa jeho mitochondriálne zväzky stanú neusporiadanými a zmenšujú sa.Keď vedci modelovali, čo sa stane, keď svetlo prechádza mitochondriálnym zväzkom spiacej zemnej veveričky, zistili, že nekoncentruje svetlo tak, ako keď je natiahnuté a veľmi usporiadané.
V minulosti iní vedci navrhli, že mitochondriálne zväzky môžu pomôcť zhromažďovať svetlo v sietnici, poznamenáva Janet Sparrow, profesorka oftalmológie na Columbia University Medical Center.Myšlienka sa však zdala čudná: „Niektorí ľudia ako ja sa zasmiali a povedali: ‚No tak, naozaj máte toľko mitochondrií, ktoré vedú svetlo?'- povedala."Je to skutočne dokument, ktorý to dokazuje - a je veľmi dobrý."
Lee a jeho kolegovia sa domnievajú, že to, čo pozorovali u gopherov, sa môže diať aj u ľudí a iných primátov, ktoré majú veľmi podobnú pyramídovú štruktúru.Myslia si, že by to mohlo dokonca vysvetliť jav prvýkrát opísaný v roku 1933 nazývaný Stiles-Crawfordov efekt, v ktorom sa svetlo prechádzajúce samotným stredom zrenice považuje za jasnejšie ako svetlo prechádzajúce pod uhlom.Pretože centrálne svetlo môže byť viac zamerané na mitochondriálny zväzok, vedci si myslia, že by mohlo byť lepšie zamerané na pigment kužeľa.Naznačujú, že meranie Stiles-Crawfordovho efektu by mohlo pomôcť pri včasnej detekcii chorôb sietnice, z ktorých mnohé vedú k poškodeniu a zmenám mitochondrií.Leeho tím chcel analyzovať, ako choré mitochondrie zaostrujú svetlo inak.
Je to "krásny experimentálny model" a veľmi nový objav, povedal Yirong Peng, odborný asistent oftalmológie na UCLA, ktorý sa na štúdii nezúčastnil.Bude zaujímavé zistiť, či tieto mitochondriálne zväzky môžu fungovať aj vo vnútri tyčiniek na zlepšenie nočného videnia, dodal Peng.
Aspoň v čapiciach sa tieto mitochondrie mohli vyvinúť na mikrošošovky, pretože ich membrány sú tvorené lipidmi, ktoré prirodzene lámu svetlo, povedal Lee."Je to jednoducho najlepší materiál pre túto funkciu."
Zdá sa, že lipidy nachádzajú túto funkciu aj inde v prírode.U vtákov a plazov sa v sietnici vyvinuli štruktúry nazývané olejové kvapôčky, ktoré slúžia ako farebné filtre, ale predpokladá sa, že fungujú aj ako mikrošošovky, ako sú mitochondriálne zväzky.Vo veľkom prípade konvergentnej evolúcie, vtákov krúžiacich nad hlavou, komárov bzučiacich okolo svojej nádhernej ľudskej koristi, čítate toto s vhodnými optickými prvkami, ktoré sa vyvinuli nezávisle – adaptáciami, ktoré priťahujú divákov.Tu prichádza jasný a jasný svet.
Poznámka redakcie: Yirong Peng získal podporu Klingenstein-Simons Fellowship, projekt čiastočne podporovaný Simons Foundation, ktorá financuje aj tento nezávisle vydaný časopis.Rozhodnutie Simmons Foundation o financovaní nemá vplyv na naše vykazovanie.
Oprava: 6. apríla 2022 Názov hlavnej snímky spočiatku nesprávne identifikoval farbu mitochondriálnych zväzkov ako fialovú namiesto žltej.Fialové sfarbenie je spojené s membránou obklopujúcou zväzok.
Časopis Quanta moderuje recenzie, aby podporil informovaný, zmysluplný a civilizovaný dialóg.Komentáre, ktoré sú urážlivé, rúhavé, sebapropagujúce, zavádzajúce, nesúvislé alebo nesúvisiace s témou, budú odmietnuté.Moderátori sú otvorení počas bežnej pracovnej doby (čas New York) a môžu prijímať iba komentáre napísané v angličtine.
Čas odoslania: 22. augusta 2022
