Svazky mitochondrií (žluté) uvnitř čípků fotoreceptorů gopher hrají nečekanou roli v přesnějším zaměření difuzního světla (září zespodu) (modrý paprsek).Toto optické chování může zlepšit vidění tím, že pigmenty v čípkových buňkách jsou efektivnější při zachycování světla.
Přes pole mikročoček vás sleduje komár.Otočíte hlavu, držíte v ruce plácačku na muchy a díváte se na upíra svým pokorným okem s jednou čočkou.Ale ukazuje se, že se navzájem – a svět – vidíte víc, než si myslíte.
Studie zveřejněná minulý měsíc v časopise Science Advances zjistila, že uvnitř oka savců mohou mitochondrie, organely vyživující buňky, převzít druhou roli mikročoček, které pomáhají soustředit světlo na fotopigmenty, tyto pigmenty přeměňují světlo na nervové signály pro mozek. interpretovat.Zjištění ukazují pozoruhodné podobnosti mezi očima savců a složenýma očima hmyzu a jiných členovců, což naznačuje, že naše vlastní oči mají latentní optickou složitost a že evoluce učinila velmi starou část naší buněčné anatomie nalezenou pro nové použití.
Čočka v přední části oka soustředí světlo z okolního prostředí na tenkou vrstvu tkáně vzadu, zvanou sítnice.Tam fotoreceptorové buňky – čípky, které barví náš svět a tyčinky, které nám pomáhají orientovat se při slabém osvětlení – absorbují světlo a přeměňují ho na nervové signály, které jdou do mozku.Ale fotopigmenty jsou umístěny na samém konci fotoreceptorů, bezprostředně za tlustým mitochondriálním svazkem.Podivné uspořádání tohoto svazku mění mitochondrie ve zdánlivě zbytečné překážky rozptylující světlo.
Mitochondrie jsou „poslední bariérou“ pro částice světla, řekl Wei Li, vedoucí výzkumník z National Eye Institute a hlavní autor článku.Po mnoho let vědci zabývající se zrakem nemohli pochopit toto podivné uspořádání těchto organel – koneckonců mitochondrie většiny buněk ulpívají na jejich centrální organele – jádru.
Někteří vědci navrhli, že se tyto paprsky mohly vyvinout nedaleko místa, kde se světelné signály přeměňují na nervové signály, což je energeticky náročný proces, který umožňuje snadné čerpání a rychlé dodání energie.Pak ale výzkum začal ukazovat, že fotoreceptory nepotřebují tolik mitochondrií pro energii – místo toho mohou získat více energie v procesu zvaném glykolýza, ke kterému dochází v želatinové cytoplazmě buňky.
Lee a jeho tým se dozvěděli o úloze těchto mitochondriálních traktů analýzou čípkových buněk gophera, malého savce, který má vynikající denní vidění, ale ve skutečnosti je v noci slepý, protože jeho čípkové fotoreceptory jsou neúměrně velké.
Poté, co počítačové simulace ukázaly, že mitochondriální svazky mohou mít optické vlastnosti, Lee a jeho tým zahájili experimenty na skutečných objektech.Použili tenké vzorky veverčích sítnic a většina buněk byla odstraněna kromě několika čípků, takže „dostali jen sáček mitochondrií“ úhledně zabalený uvnitř membrány, řekl Lee.
Osvětlením tohoto vzorku a pečlivým zkoumáním pod speciálním konfokálním mikroskopem navrženým Johnem Ballem, vědcem v Leeově laboratoři a hlavním autorem studie, jsme našli neočekávaný výsledek.Světlo procházející mitochondriálním paprskem se jeví jako jasný, ostře zaostřený paprsek.Vědci pořídili fotografie a videa světla pronikajícího do tmy přes tyto mikročočky, kde u živých zvířat čekají fotopigmenty.
Mitochondriální svazek hraje klíčovou roli, ne jako překážka, ale při dodávání co nejvíce světla fotoreceptorům s minimální ztrátou, říká Li.
Pomocí simulací on a jeho kolegové potvrdili, že efekt čočky je primárně způsoben samotným mitochondriálním svazkem, a nikoli membránou kolem něj (i když membrána hraje roli).Vtip přirozené historie gophera jim také pomohl ukázat, že tvar mitochondriálního svazku je rozhodující pro jeho schopnost soustředit se: během měsíců gopher hibernuje, jeho mitochondriální svazky se stávají neuspořádanými a zmenšují se.Když vědci modelovali, co se stane, když světlo prochází mitochondriálním svazkem spícího zemního veverky, zjistili, že světlo nekoncentruje tolik, jako když je natažené a vysoce uspořádané.
V minulosti jiní vědci navrhli, že mitochondriální svazky mohou pomoci shromažďovat světlo v sítnici, poznamenává Janet Sparrowová, profesorka oftalmologie na Columbia University Medical Center.Nápad se však zdál zvláštní: „Někteří lidé jako já se zasmáli a řekli: ‚No tak, opravdu máte tolik mitochondrií, které vedou světlo?'- ona řekla."Je to skutečně dokument, který to dokazuje - a je velmi dobrý."
Lee a jeho kolegové se domnívají, že to, co pozorovali u gopherů, by se mohlo dít také u lidí a dalších primátů, kteří mají velmi podobnou pyramidovou strukturu.Domnívají se, že by to mohlo dokonce vysvětlit jev poprvé popsaný v roce 1933 zvaný Stiles-Crawfordův efekt, ve kterém je světlo procházející samotným středem zornice považováno za jasnější než světlo procházející pod úhlem.Protože centrální světlo může být více zaměřeno na mitochondriální svazek, vědci se domnívají, že by mohlo být lépe zaměřeno na pigment kužele.Naznačují, že měření Stiles-Crawfordova efektu by mohlo pomoci při včasné detekci onemocnění sítnice, z nichž mnohé vedou k poškození a změnám mitochondrií.Leeův tým chtěl analyzovat, jak nemocné mitochondrie zaostřují světlo jinak.
Je to "krásný experimentální model" a velmi nový objev, řekl Yirong Peng, odborný asistent oftalmologie na UCLA, který se na studii nepodílel.Bude zajímavé zjistit, zda tyto mitochondriální svazky mohou fungovat také uvnitř tyčinek, aby zlepšily noční vidění, dodal Peng.
Alespoň v čípcích se tyto mitochondrie mohly vyvinout v mikročočky, protože jejich membrány jsou tvořeny lipidy, které přirozeně lámou světlo, řekl Lee."Je to prostě nejlepší materiál pro tuto funkci."
Zdá se, že lipidy nacházejí tuto funkci i jinde v přírodě.U ptáků a plazů se v sítnici vyvinuly struktury zvané olejové kapičky, které slouží jako barevné filtry, ale také se předpokládá, že fungují jako mikročočky, jako jsou mitochondriální svazky.Ve velkém případě konvergentní evoluce, ptáci kroužící nad hlavou, komáři bzučící kolem své nádherné lidské kořisti, to čtete s vhodnými optickými prvky, které se vyvinuly nezávisle – adaptacemi, které přitahují diváky.Zde přichází jasný a jasný svět.
Poznámka redakce: Yirong Peng získal podporu Klingenstein-Simons Fellowship, což je projekt částečně podporovaný Simons Foundation, která také financuje tento samostatně vydávaný časopis.Rozhodnutí Simmons Foundation o financování nemá vliv na naše podávání zpráv.
Oprava: 6. dubna 2022 Název hlavního obrázku zpočátku nesprávně identifikoval barvu mitochondriálních svazků jako fialovou místo žluté.Fialové zbarvení je spojeno s membránou obklopující svazek.
Časopis Quanta moderuje recenze, aby podpořil informovaný, smysluplný a civilizovaný dialog.Komentáře, které jsou urážlivé, rouhavé, sebepropagující, zavádějící, nesouvislé nebo mimo téma, budou odmítnuty.Moderátoři jsou otevřeni během běžné pracovní doby (newyorského času) a mohou přijímat pouze komentáře napsané v angličtině.
Čas odeslání: 22. srpna 2022
