Mănunchiurile de mitocondrii (galbene) din interiorul conurilor fotoreceptorilor gopher joacă un rol neașteptat în focalizarea mai precisă a luminii difuze (strălucire de dedesubt) (fascicul albastru).Acest comportament optic poate îmbunătăți vederea făcând pigmenții din celulele conului mai eficienți la captarea luminii.
Un țânțar te urmărește printr-o matrice de microlentile.Îți întorci capul, ții muștele în mână și te uiți la vampir cu ochiul tău umil, cu o singură lentilă.Dar se dovedește că vă puteți vedea unul pe celălalt – și lumea – mai mult decât credeți.
Un studiu publicat luna trecută în revista Science Advances a constatat că în interiorul ochiului mamiferelor, mitocondriile, organelele care hrănesc celulele, pot avea un al doilea rol de microlens, ajutând la focalizarea luminii asupra fotopigmenților, acești pigmenți transformă lumina în semnale nervoase pentru creier. interpreta.Descoperirile arată asemănări izbitoare între ochii mamiferelor și ochii compuși ai insectelor și altor artropode, sugerând că proprii ochi au o complexitate optică latentă și că evoluția a făcut ca o parte foarte veche a anatomiei noastre celulare să fie găsită pentru noi utilizări.
Lentila din partea din față a ochiului concentrează lumina din mediu pe un strat subțire de țesut din spate, numit retină.Acolo, celulele fotoreceptoare - conurile care colorează lumea noastră și tijele care ne ajută să navigăm în lumină slabă - absorb lumina și o transformă în semnale neuronale care ajung la creier.Dar fotopigmenții sunt localizați chiar la capătul fotoreceptorilor, imediat în spatele mănunchiului mitocondrial gros.Aranjamentul ciudat al acestui pachet transformă mitocondriile în obstacole aparent inutile de împrăștiere a luminii.
Mitocondriile sunt „ultima barieră” în calea particulelor de lumină, a spus Wei Li, cercetător principal la Institutul Național pentru Ochi și autor principal al lucrării.Timp de mulți ani, oamenii de știință din domeniul vederii nu au putut înțelege acest aranjament ciudat al acestor organite - la urma urmei, mitocondriile majorității celulelor se agață de organitele lor centrale - nucleul.
Unii oameni de știință au sugerat că aceste fascicule s-ar putea să fi evoluat nu departe de locul unde semnalele luminoase sunt convertite în semnale neuronale, un proces consumator de energie care permite ca energia să fie pompată cu ușurință și furnizată rapid.Dar apoi cercetările au început să demonstreze că fotoreceptorii nu au nevoie de atâtea mitocondrii pentru energie - în schimb, pot obține mai multă energie într-un proces numit glicoliză, care are loc în citoplasma gelatinoasă a celulei.
Lee și echipa sa au aflat despre rolul acestor tracturi mitocondriale analizând celulele conice ale unui gopher, un mamifer mic care are o vedere excelentă în timpul zilei, dar este de fapt orb noaptea, deoarece fotoreceptorii săi conici sunt disproporționat de mari.
După ce simulările pe computer au arătat că fasciculele mitocondriale ar putea avea proprietăți optice, Lee și echipa sa au început experimente pe obiecte reale.Ei au folosit mostre subțiri de retine de veveriță și majoritatea celulelor au fost îndepărtate, cu excepția câtorva conuri, așa că „au primit doar o pungă de mitocondrii” bine împachetate într-o membrană, a spus Lee.
Iluminând această probă și examinând-o cu atenție la un microscop confocal special proiectat de John Ball, un om de știință din laboratorul lui Lee și autor principal al studiului, am găsit un rezultat neașteptat.Lumina care trece prin fasciculul mitocondrial apare ca un fascicul luminos, puternic focalizat.Cercetătorii au făcut fotografii și videoclipuri cu lumina care pătrunde în întuneric prin aceste microlentile, unde fotopigmentele așteaptă la animalele vii.
Mănunchiul mitocondrial joacă un rol cheie, nu ca un obstacol, ci în furnizarea de cât mai multă lumină posibil către fotoreceptori cu pierderi minime, spune Li.
Folosind simulări, el și colegii săi au confirmat că efectul lentilei este cauzat în primul rând de mănunchiul mitocondrial în sine, și nu de membrana din jurul acestuia (deși membrana joacă un rol).O particularitate a istoriei naturale a gopher i-a ajutat, de asemenea, să demonstreze că forma mănunchiului mitocondrial este esențială pentru capacitatea sa de a se concentra: în timpul lunilor, gopherul hibernează, fasciculele sale mitocondriale devin dezordonate și se micșorează.Când cercetătorii au modelat ce se întâmplă atunci când lumina trece prin mănunchiul mitocondrial al unei veverițe de pământ adormite, au descoperit că aceasta nu concentrează lumina la fel de mult ca atunci când este întinsă și foarte ordonată.
În trecut, alți oameni de știință au sugerat că fasciculele mitocondriale ar putea ajuta la colectarea luminii în retină, notează Janet Sparrow, profesor de oftalmologie la Columbia University Medical Center.Totuși, ideea părea ciudată: „Unii oameni ca mine au râs și au spus: „Hai, chiar ai atâtea mitocondrii pentru a ghida lumina?”.- ea a spus.„Este într-adevăr un document care o dovedește – și este foarte bun.”
Lee și colegii săi cred că ceea ce au observat la gopher s-ar putea întâmpla și la oameni și alte primate, care au o structură piramidală foarte asemănătoare.Ei cred că ar putea chiar explica un fenomen descris pentru prima dată în 1933, numit efectul Stiles-Crawford, în care lumina care trece prin centrul pupilei este considerată mai strălucitoare decât lumina care trece la un unghi.Deoarece lumina centrală poate fi mai concentrată asupra mănunchiului mitocondrial, cercetătorii cred că ar putea fi mai bine concentrată pe pigmentul conului.Ei sugerează că măsurarea efectului Stiles-Crawford ar putea ajuta la detectarea precoce a bolilor retinei, multe dintre acestea ducând la leziuni și modificări mitocondriale.Echipa lui Lee a vrut să analizeze modul în care mitocondriile bolnave concentrează lumina diferit.
Este un „model experimental frumos” și o descoperire foarte nouă, a spus Yirong Peng, profesor asistent de oftalmologie la UCLA, care nu a fost implicat în studiu.Va fi interesant de văzut dacă aceste fascicule mitocondriale pot funcționa și în interiorul tijelor pentru a îmbunătăți vederea pe timp de noapte, a adăugat Peng.
Cel puțin în conuri, aceste mitocondrii ar fi putut evolua în microlentile, deoarece membranele lor sunt alcătuite din lipide care refractează în mod natural lumina, a spus Lee.„Este pur și simplu cel mai bun material pentru caracteristică.”
De asemenea, lipidele par să găsească această funcție în altă parte în natură.La păsări și reptile, în retină s-au dezvoltat structuri numite picături de ulei care servesc drept filtre de culoare, dar se crede că funcționează și ca microlentile, cum ar fi fasciculele mitocondriale.Într-un mare caz de evoluție convergentă, păsări care se învârt deasupra capului, țânțari bâzâind în jurul prăzii lor umane încântătoare, citiți acest lucru cu caracteristici optice adecvate care au evoluat independent - adaptări care atrag privitorii.Aici vine o lume clară și strălucitoare.
Nota editorului: Yirong Peng a primit sprijinul Klingenstein-Simons Fellowship, un proiect susținut parțial de Fundația Simons, care finanțează și această revistă editată independent.Decizia de finanțare a Fundației Simmons nu afectează raportarea noastră.
Corecție: 6 aprilie 2022 Titlul imaginii principale a identificat inițial incorect culoarea fasciculelor mitocondriale ca fiind violet în loc de galben.Colorarea violet este asociată cu membrana care înconjoară mănunchiul.
Revista Quanta moderează recenziile pentru a promova un dialog informat, semnificativ și civilizat.Comentariile ofensatoare, blasfeme, autopromovare, înșelătoare, incoerente sau în afara subiectului vor fi respinse.Moderatorii sunt deschiși în timpul orelor normale de lucru (ora New York) și pot accepta numai comentarii scrise în limba engleză.
Ora postării: 22-aug-2022
