Μιτοχόνδρια διπλά ως μικροσκοπικοί φακοί στο μάτι

Ένα κουνούπι σας παρακολουθεί μέσα από ένα πλέγμα μικροσκοπικών φακών. Κοιτάζεις πίσω, πετάς στο χέρι, παρακολουθώντας προσεκτικά τον αιμοβόρο με τα ταπεινά σου μάτια. Αλλά αποδεικνύεται ότι ο τρόπος που βλέπετε ο ένας τον άλλον — και τον κόσμο — μπορεί να έχουν περισσότερα κοινά από ό,τι νομίζετε.

Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε τον περασμένο μήνα στο Science Advances ανακάλυψε ότι μέσα στα μάτια των θηλαστικών, τα μιτοχόνδρια, τα οργανίδια που τροφοδοτούν τα κύτταρα, μπορεί να έχουν δεύτερο ρόλο ως μικροσκοπικοί φακοί, βοηθώντας στην εστίαση του φωτός στις χρωστικές του φωτοϋποδοχέα που μετατρέπουν το φως σε νευρικά σήματα για να ερμηνεύσει ο εγκέφαλος. Τα ευρήματα, τα οποία κάνουν έναν εντυπωσιακό παραλληλισμό μεταξύ των ματιών των θηλαστικών και των σύνθετων ματιών των εντόμων και άλλων αρθροπόδων, υποδηλώνουν ότι τα δικά μας μάτια έχουν κρυφά επίπεδα οπτικής πολυπλοκότητας και ότι η εξέλιξη έχει βρει νέες χρήσεις για πολύ παλιά μέρη της κυτταρικής μας ανατομίας. /P>

Ο φακός στο μπροστινό μέρος του ματιού εστιάζει το φως από το περιβάλλον σε ένα λεπτό στρώμα ιστού που ονομάζεται αμφιβληστροειδής στο πίσω μέρος. Εκεί, τα κύτταρα φωτοϋποδοχέων - κώνοι που χρωματίζουν τον κόσμο μας και ράβδοι που μας βοηθούν να πλοηγηθούμε σε χαμηλό φωτισμό - απορροφούν το φως και το μεταφράζουν σε νευρικά σήματα που διαδίδονται στον εγκέφαλο. Αλλά οι φωτοευαίσθητες χρωστικές βρίσκονται στα άκρα των φωτοϋποδοχέων, ακριβώς πίσω από μια παχιά δέσμη μιτοχονδρίων. Η περίεργη τοποθέτηση αυτής της δέσμης μετατρέπει τα μιτοχόνδρια σε φαινομενικά περιττά εμπόδια που διασκορπίζουν το φως.

Τα μιτοχόνδρια είναι το «τελικό εμπόδιο» για τα σωματίδια του φωτός, δήλωσε ο Wei Li, ανώτερος ερευνητής στο Εθνικό Ινστιτούτο Οφθαλμών και ανώτερος συγγραφέας του χαρτιού. Για χρόνια, οι επιστήμονες της όρασης δεν μπορούσαν να καταλάβουν αυτή την περίεργη τοποθέτηση αυτών των οργανιδίων - σε τελική ανάλυση, τα περισσότερα κύτταρα έχουν τα μιτοχόνδριά τους να αγκαλιάζουν το κεντρικό τους οργανίδιο, τον πυρήνα.

Μερικοί επιστήμονες πρότειναν ότι οι δέσμες μπορεί να έχουν εξελιχθεί για να κάθονται κοντά στο μέρος όπου τα φωτεινά σήματα μετατρέπονται σε νευρικά σήματα, μια διαδικασία εξαιρετικά απαιτητική ενέργεια, για να αντλούν εύκολα ενέργεια και να την αποδίδουν γρήγορα. Στη συνέχεια, όμως, οι μελέτες άρχισαν να υποδεικνύουν ότι οι φωτοϋποδοχείς δεν χρειάζονται τόσα μιτοχόνδρια για ενέργεια — ότι μπορούν, αντίθετα, να λαμβάνουν περισσότερη από την ενέργειά τους από μια διαδικασία που ονομάζεται γλυκόλυση, η οποία συμβαίνει στο ζελατινώδες κυτταρόπλασμα του κυττάρου.

Ο Λι και η ομάδα του ανέλαβαν να μάθουν τον ρόλο αυτών των δεσμίδων μιτοχονδρίων αναλύοντας τους κώνους ενός εδαφοσκίουρου, ενός μικρού θηλαστικού που έχει καταπληκτική όραση κατά τη διάρκεια της ημέρας αλλά είναι πρακτικά νυχτοτυφλός επειδή οι φωτοϋποδοχείς του είναι δυσανάλογα κώνοι.

Αφού οι προσομοιώσεις υπολογιστή πρότειναν ότι οι μιτοχονδριακές δέσμες μπορεί να έχουν οπτικές ιδιότητες, ο Λι και η ομάδα του ξεκίνησαν πειράματα για το πραγματικό πράγμα. Χρησιμοποίησαν ένα λεπτό δείγμα του αμφιβληστροειδούς του σκίουρου, τον οποίο αφαίρεσαν ως επί το πλείστον τα κύτταρά του εκτός από μέρη των κώνων του, έτσι ώστε να «τραυματιστούν έχοντας λίγο πολύ απλά μια σακούλα μιτοχόνδρια» τακτοποιημένα μέσα σε μια μεμβράνη, είπε ο Li.

Λαμβάνοντας φως σε αυτό το δείγμα και εξετάζοντάς το κάτω από ένα ειδικό ομοεστιακό μικροσκόπιο που κατασκευάστηκε από τον John Ball, επιστήμονα του προσωπικού στο εργαστήριο του Li και τον κύριο συγγραφέα της μελέτης, αποκάλυψε ένα εντυπωσιακό αποτέλεσμα. Το φως που περνούσε μέσα από τη μιτοχονδριακή δέσμη εμφανίστηκε ως μια φωτεινή, σαφώς εστιασμένη δέσμη. Οι ερευνητές κατέγραψαν φωτογραφίες και βίντεο φωτός που ακτινοβολεί μέσω αυτών των μικροφακών στο σκοτάδι όπου, σε ένα ζωντανό ζώο, θα περίμεναν χρωστικές φωτοϋποδοχείς.

Αντί να αποτελούν εμπόδια, οι μιτοχονδριακές δέσμες φαίνεται να παίζουν κρίσιμο ρόλο βοηθώντας στη διοχέτευση όσο το δυνατόν περισσότερου φωτός στους φωτοϋποδοχείς με ελάχιστη απώλεια, είπε ο Li.

Με προσομοιώσεις, αυτός και οι συνεργάτες του επιβεβαίωσαν ότι το φαινόμενο του φακού προκλήθηκε κυρίως από την ίδια τη μιτοχονδριακή δέσμη, όχι από τη μεμβράνη που την περιβάλλει (αν και η μεμβράνη έπαιξε ρόλο). Μια ιδιορρυθμία της φυσικής ιστορίας του επίγειου σκίουρου τους βοήθησε επίσης να αποδείξουν ότι το σχήμα της μιτοχονδριακής δέσμης ήταν κρίσιμο για τις ικανότητες εστίασής του:Κατά τους μήνες που ο επίγειος σκίουρος πέφτει σε χειμερία νάρκη, τα μιτοχονδριακά του δεμάτια γίνονται άτακτα και συμπιέζονται. Όταν οι ερευνητές προσομοίωσαν τι συμβαίνει όταν το φως διέρχεται από τη μιτοχονδριακή δέσμη ενός επίγειου σκίουρου που βρισκόταν σε χειμερία νάρκη, διαπίστωσαν ότι δεν συγκέντρωνε το φως σχεδόν τόσο καλά όσο όταν ήταν επιμήκη και πολύ διατεταγμένο.

Στο παρελθόν, άλλοι επιστήμονες υπέθεσαν ότι οι μιτοχονδριακές δέσμες μπορεί να βοηθούν στη συλλογή φωτός στον αμφιβληστροειδή, σημείωσε η Janet Sparrow, καθηγήτρια στο τμήμα οφθαλμολογίας στο Ιατρικό Κέντρο του Πανεπιστημίου Columbia που δεν συμμετείχε στη μελέτη του Li. Ωστόσο, αυτή η ιδέα φαινόταν αρκετά περίεργη ώστε «κάποιοι άνθρωποι σαν εμένα γέλασαν και είπαν:«Ω, έλα, θα έχεις πραγματικά τόσα μιτοχόνδρια μόνο για να καθοδηγείς το φως;» είπε. "Αυτό ήταν πραγματικά το χαρτί που το απέδειξε — και πολύ όμορφα."

Ο Li και οι συνεργάτες του πιστεύουν ότι αυτό που είδαν στους επίγειους σκίουρους είναι επίσης πιθανό να συμβεί σε ανθρώπους και άλλα πρωτεύοντα θηλαστικά, τα οποία έχουν πολύ παρόμοιες δομές κώνου. Πρότειναν ότι θα μπορούσε ακόμη και να εξηγήσει ένα φαινόμενο, που αναφέρθηκε για πρώτη φορά το 1933 και ονομάζεται φαινόμενο Stiles-Crawford, στο οποίο το φως που διέρχεται από το κέντρο της κόρης γίνεται αντιληπτό ως φωτεινότερο από το φως που εισέρχεται υπό γωνία. Επειδή αυτό το κεντρικό φως μπορεί να είναι πιο ευθυγραμμισμένο με τις μιτοχονδριακές δέσμες, οι ερευνητές πιστεύουν ότι μπορεί να εστιάζεται καλύτερα στις χρωστικές ουσίες ενός κώνου. Προτείνουν ότι η μέτρηση του φαινομένου Stiles-Crawford μπορεί να βοηθήσει στην έγκαιρη ανίχνευση ασθενειών του αμφιβληστροειδούς, καθώς πολλές από αυτές προκαλούν βλάβες και αλλαγές στα μιτοχόνδρια. Η ομάδα του Li ελπίζει να αναλύσει πώς τα άρρωστα μιτοχόνδρια μπορεί να εστιάζουν το φως διαφορετικά.

Αυτό ήταν «ένα όμορφο πειραματικό μοντέλο» και ένα πολύ πρωτότυπο εύρημα, είπε ο Yi-Rong Peng, επίκουρος καθηγητής στο τμήμα οφθαλμολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Θα ήταν ενδιαφέρον, πρόσθεσε ο Peng, να δούμε αν αυτές οι μιτοχονδριακές δέσμες θα μπορούσαν επίσης να παίζουν ρόλο μέσα στις ράβδους για να ενισχύσουν τη νυχτερινή όραση.

Τουλάχιστον στους κώνους, αυτά τα μιτοχόνδρια μπορεί να έχουν εξελιχθεί για να χρησιμεύουν ως μικροφακοί επειδή οι μεμβράνες τους αποτελούνται από λιπίδια, τα οποία έχουν μια φυσική ικανότητα να κάμπτουν το φως, είπε ο Li. "Είναι απλώς το καλύτερο υλικό για την επίτευξη αυτής της λειτουργίας."

Τα λιπίδια φαίνεται να έχουν βρει αυτή τη λειτουργία και αλλού στη φύση. Τα πουλιά και τα ερπετά εξέλιξαν μια δομή στον αμφιβληστροειδή τους, που ονομάζονται σταγονίδια λαδιού, που χρησιμεύουν ως χρωματικό φίλτρο, αλλά υποτίθεται ότι λειτουργούν και ως μικροφακοί, όπως οι μιτοχονδριακές δέσμες. Σε μια μεγάλη περίπτωση συγκλίνουσας εξέλιξης, τα πουλιά κάνουν κύκλους ψηλά, τα κουνούπια που βουίζουν γύρω από τα λαχταριστά ανθρώπινα θύματά τους και εσείς που διαβάζετε αυτό το άρθρο έχετε όλα ανεξάρτητα εξελίξει σχετικές οπτικές λειτουργίες — προσαρμογές που φέρνουν έναν αιχμηρό και ζωντανό κόσμο στο μάτι του θεατή.

Σημείωση συντάκτη:Ο Yi-Rong Peng έχει λάβει υποστήριξη από μια υποτροφία Klingenstein-Simons, ένα πρόγραμμα που υποστηρίζεται εν μέρει από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το ανεξάρτητο εκδοτικό περιοδικό . Οι αποφάσεις χρηματοδότησης του Simons Foundation δεν επηρεάζουν την κάλυψή μας.

Διόρθωση:6 Απριλίου 2022
Η λεζάντα για την κύρια εικόνα αρχικά προσδιόριζε εσφαλμένα το χρώμα των μιτοχονδριακών δεσμίδων ως μωβ και όχι κίτρινο. Μια κηλίδα ματζέντα συνδέεται με τις μεμβράνες που περιβάλλουν τις δέσμες.