Snopovi mitohondrija (žuto) unutar čunjića fotoreceptora gofera igraju neočekivanu ulogu u preciznijem fokusiranju difuznog svjetla (sjaj odozdo) (plava zraka).Ovo optičko ponašanje može poboljšati vid čineći pigmente u stanicama čunjića učinkovitijima u hvatanju svjetla.
Komarac vas promatra kroz niz mikroleća.Okrenete glavu, držite muholovku u ruci i pogledate vampira svojim skromnim okom s jednom lećom.Ali ispada da možete vidjeti jedno drugo – i svijet – više nego što mislite.
Studija objavljena prošlog mjeseca u časopisu Science Advances otkrila je da unutar oka sisavaca, mitohondriji, organele koje hrane stanice, mogu preuzeti ulogu druge mikroleće, pomažući fokusirati svjetlost na fotopigmente, ti pigmenti pretvaraju svjetlost u živčane signale za mozak protumačiti.Nalazi pokazuju zapanjujuće sličnosti između očiju sisavaca i složenih očiju insekata i drugih člankonožaca, sugerirajući da naše vlastite oči imaju latentnu optičku složenost i da je evolucija učinila vrlo drevni dio naše stanične anatomije pronađen za nove namjene.
Leća na prednjem dijelu oka fokusira svjetlost iz okoline na tanki sloj tkiva na stražnjoj strani, koji se naziva mrežnica.Ondje fotoreceptorske stanice - čunjići koji boje naš svijet i štapići koji nam pomažu u navigaciji pri slabom svjetlu - apsorbiraju svjetlost i pretvaraju je u živčane signale koji idu u mozak.Ali fotopigmenti se nalaze na samom kraju fotoreceptora, odmah iza debelog mitohondrijskog snopa.Čudan raspored ovog snopa pretvara mitohondrije u naizgled nepotrebne prepreke za raspršivanje svjetlosti.
Mitohondriji su "posljednja prepreka" svjetlosnim česticama, rekao je Wei Li, viši istraživač na Nacionalnom institutu za oči i glavni autor rada.Dugi niz godina znanstvenici koji se bave vizijom nisu mogli razumjeti ovaj čudan raspored ovih organela – na kraju krajeva, mitohondriji većine stanica drže se za njihovu središnju organelu – jezgru.
Neki su znanstvenici sugerirali da su ove zrake možda evoluirale nedaleko od mjesta gdje se svjetlosni signali pretvaraju u neuronske signale, što je energetski intenzivan proces koji omogućuje jednostavno pumpanje i brzu isporuku energije.Ali onda su istraživanja počela pokazivati da fotoreceptori ne trebaju toliko mitohondrija za energiju—umjesto toga, mogu dobiti više energije u procesu zvanom glikoliza, koji se odvija u želatinoznoj citoplazmi stanice.
Lee i njegov tim naučili su o ulozi ovih mitohondrijskih trakta analizirajući stanice čunjića gofa, malog sisavca koji ima izvrstan vid danju, ali je noću zapravo slijep jer su njegovi fotoreceptori čunjića neproporcionalno veliki.
Nakon što su računalne simulacije pokazale da snopovi mitohondrija mogu imati optička svojstva, Lee i njegov tim započeli su eksperimente na stvarnim objektima.Koristili su tanke uzorke mrežnice vjeverica, a većina stanica je uklonjena osim nekoliko čunjića, tako da su "dobili samo vrećicu mitohondrija" uredno upakiranu unutar membrane, rekao je Lee.
Osvjetljavajući ovaj uzorak i pažljivo ga ispitujući pod posebnim konfokalnim mikroskopom koji je dizajnirao John Ball, znanstvenik u Leejevom laboratoriju i glavni autor studije, pronašli smo neočekivani rezultat.Svjetlost koja prolazi kroz mitohondrijski snop izgleda kao svijetla, oštro fokusirana zraka.Istraživači su snimili fotografije i videozapise svjetlosti koja prodire u tamu kroz te mikroleće, gdje fotopigmenti čekaju u živim životinjama.
Mitohondrijski snop igra ključnu ulogu, ne kao prepreka, već u isporuci što je moguće više svjetlosti fotoreceptorima uz minimalne gubitke, kaže Li.
Koristeći simulacije, on i njegovi kolege potvrdili su da je učinak leće prvenstveno uzrokovan samim mitohondrijskim snopom, a ne membranom oko njega (iako membrana igra ulogu).Jedna neobičnost gofove prirodne povijesti također im je pomogla da pokažu da je oblik mitohondrijskog snopa ključan za njegovu sposobnost fokusiranja: tijekom mjeseci kada gofer hibernira, njegovi mitohondrijski snopovi postaju poremećeni i smanjuju se.Kada su istraživači modelirali što se događa kada svjetlost prođe kroz mitohondrijski snop uspavane tetke, otkrili su da ona ne koncentrira svjetlost u tolikoj mjeri kao kada je rastegnuta i visoko uređena.
U prošlosti su drugi znanstvenici sugerirali da bi mitohondrijski snopovi mogli pomoći u prikupljanju svjetla u mrežnici, primjećuje Janet Sparrow, profesorica oftalmologije na Medicinskom centru Sveučilišta Columbia.Međutim, ideja se činila čudnom: “Neki ljudi poput mene su se nasmijali i rekli, 'Ma daj, imaš li stvarno toliko mitohondrija da usmjeravaju svjetlost?'- rekla je."To je doista dokument koji to dokazuje - i to vrlo dobar."
Lee i njegovi kolege vjeruju da bi se ono što su primijetili kod gofa moglo događati i kod ljudi i drugih primata, koji imaju vrlo sličnu piramidalnu strukturu.Oni misle da bi to čak moglo objasniti fenomen koji je prvi put opisan 1933. godine nazvan Stiles-Crawford efekt, u kojem se svjetlost koja prolazi kroz samo središte zjenice smatra svjetlijom od svjetlosti koja prolazi pod kutom.Budući da se središnje svjetlo može više fokusirati na mitohondrijski snop, istraživači misle da bi moglo biti bolje fokusirano na pigment stošca.Sugeriraju da bi mjerenje Stiles-Crawfordovog učinka moglo pomoći u ranom otkrivanju bolesti mrežnice, od kojih mnoge dovode do oštećenja i promjena mitohondrija.Leejev tim želio je analizirati kako oboljeli mitohondriji drugačije fokusiraju svjetlost.
To je "prekrasan eksperimentalni model" i vrlo novo otkriće, rekao je Yirong Peng, asistent profesora oftalmologije na UCLA koji nije bio uključen u studiju.Bit će zanimljivo vidjeti mogu li ti mitohondrijski snopovi također funkcionirati unutar štapića za poboljšanje noćnog vida, dodao je Peng.
Barem u čunjićima, ti su mitohondriji mogli evoluirati u mikroleće jer su njihove membrane sastavljene od lipida koji prirodno lome svjetlost, rekao je Lee."To je jednostavno najbolji materijal za ovu značajku."
Čini se da lipidi tu funkciju nalaze i drugdje u prirodi.Kod ptica i gmazova u mrežnici su se razvile strukture koje se nazivaju uljne kapljice koje služe kao filteri boja, ali se također smatra da funkcioniraju kao mikroleće, poput mitohondrijskih snopova.U velikom slučaju konvergentne evolucije, ptice koje kruže iznad glave, komarci koji zuje oko svog divnog ljudskog plijena, ovo čitate s odgovarajućim optičkim značajkama koje su evoluirale neovisno – prilagodbama koje privlače gledatelje.Dolazi jasan i svijetao svijet.
Napomena urednika: Yirong Peng dobio je potporu Klingenstein-Simons Fellowship, projekta koji djelomično podržava Zaklada Simons, koja također financira ovaj neovisno uređivani časopis.Odluka o financiranju Zaklade Simmons ne utječe na naše izvješćivanje.
Ispravak: 6. travnja 2022. Naslov glavne slike u početku je netočno identificirao boju mitohondrijskih snopova kao ljubičastu umjesto žutu.Ljubičasto bojenje povezano je s membranom koja okružuje snop.
Časopis Quanta moderira recenzije kako bi promovirao informiran, smislen i civiliziran dijalog.Komentari koji su uvredljivi, bogohulni, samopromotivni, obmanjujući, nekoherentni ili izvan teme bit će odbijeni.Moderatori su otvoreni tijekom uobičajenog radnog vremena (po njujorškom vremenu) i mogu prihvatiti samo komentare napisane na engleskom jeziku.
Vrijeme objave: 22. kolovoza 2022
