Bunter af mitokondrier (gul) inde i gopher-fotoreceptorkegler spiller en uventet rolle i mere præcis fokusering af diffust lys (glød nedefra) (blå stråle).Denne optiske adfærd kan forbedre synet ved at gøre pigmenterne i kegleceller mere effektive til at fange lys.
En myg ser dig gennem en mikrolinse.Du drejer hovedet, holder fluesmækkeren i hånden og ser på vampyren med dit ydmyge, enkeltlinsede øje.Men det viser sig, at man kan se hinanden – og verden – mere, end man tror.
En undersøgelse offentliggjort i sidste måned i tidsskriftet Science Advances viste, at mitokondrier, celle-nærende organeller inde i pattedyrøjet, kan påtage sig en anden mikrolinse-rolle, som hjælper med at fokusere lys på fotopigmenter. Disse pigmenter omdanner lys til nervesignaler for hjernen. fortolke.Resultaterne viser slående ligheder mellem pattedyrøjne og sammensatte øjne hos insekter og andre leddyr, hvilket tyder på, at vores egne øjne har latent optisk kompleksitet, og at evolutionen har gjort en meget gammel del af vores cellulære anatomi fundet til nye anvendelser.
Linsen foran på øjet fokuserer lyset fra omgivelserne på et tyndt lag væv på bagsiden, kaldet nethinden.Der absorberer fotoreceptorceller - keglerne, der farver vores verden og stængerne, der hjælper os med at navigere i svagt lys - lys og omdanner det til neurale signaler, der går til hjernen.Men fotopigmenter er placeret helt for enden af fotoreceptorerne, umiddelbart bagved det tykke mitokondrielle bundt.Det mærkelige arrangement af dette bundt gør mitokondrier til tilsyneladende unødvendige lysspredende forhindringer.
Mitokondrier er den "sidste barriere" for lyspartikler, sagde Wei Li, seniorforsker ved National Eye Institute og hovedforfatter af papiret.I mange år kunne visionsforskere ikke forstå dette mærkelige arrangement af disse organeller - trods alt klæber mitokondrierne i de fleste celler sig til deres centrale organel - kernen.
Nogle videnskabsmænd har foreslået, at disse stråler kan have udviklet sig ikke langt fra, hvor lyssignaler omdannes til neurale signaler, en energikrævende proces, der gør det nemt at pumpe og afgive energi hurtigt.Men så begyndte forskningen at vise, at fotoreceptorer ikke har brug for så mange mitokondrier til energi – i stedet kan de få mere energi i en proces kaldet glykolyse, som sker i cellens gelatinøse cytoplasma.
Lee og hans team lærte om rollen af disse mitokondrielle kanaler ved at analysere keglecellerne i en gopher, et lille pattedyr, der har fremragende dagsyn, men som faktisk er blind om natten, fordi dets keglefotoreceptorer er uforholdsmæssigt store.
Efter computersimuleringer viste, at mitokondrielle bundter kunne have optiske egenskaber, begyndte Lee og hans team eksperimenter på rigtige objekter.De brugte tynde prøver af egern nethinder, og de fleste af cellerne blev fjernet bortset fra et par kegler, så de "fik bare en pose mitokondrier" pænt pakket inde i en membran, sagde Lee.
Ved at belyse denne prøve og omhyggeligt undersøge den under et specielt konfokalmikroskop designet af John Ball, en videnskabsmand i Lees laboratorium og hovedforfatter af undersøgelsen, fandt vi et uventet resultat.Lys, der passerer gennem mitokondriestrålen, fremstår som en lys, skarpt fokuseret stråle.Forskerne tog billeder og videoer af lys, der trænger ind i mørket gennem disse mikrolinser, hvor fotopigmenter venter hos levende dyr.
Det mitokondrielle bundt spiller en nøglerolle, ikke som en hindring, men i at levere så meget lys som muligt til fotoreceptorerne med minimalt tab, siger Li.
Ved hjælp af simuleringer bekræftede han og hans kolleger, at linseeffekten primært er forårsaget af mitokondriebundtet selv, og ikke af membranen omkring det (selvom membranen spiller en rolle).Et særpræg ved gopherens naturhistorie hjalp dem også med at demonstrere, at formen af mitokondriel bundt er afgørende for dens evne til at fokusere: i løbet af de måneder, hvor gopheren går i dvale, bliver dens mitokondrielle bundter uordnede og krymper.Da forskerne modellerede, hvad der sker, når lys passerer gennem mitokondrielle bundt af et sovende egern, fandt de ud af, at det ikke koncentrerer lyset så meget, som når det er strakt ud og meget velordnet.
Tidligere har andre forskere foreslået, at mitokondrielle bundter kan hjælpe med at indsamle lys i nethinden, bemærker Janet Sparrow, professor i oftalmologi ved Columbia University Medical Center.Men ideen virkede mærkelig: "Nogle mennesker som mig grinede og sagde: "Kom nu, har du virkelig så mange mitokondrier til at lede lyset?"- hun sagde."Det er virkelig et dokument, der beviser det - og det er meget godt."
Lee og hans kolleger mener, at det, de observerede i gophers, også kunne ske hos mennesker og andre primater, som har en meget lignende pyramideformet struktur.De tror, at det endda kan forklare et fænomen, der først blev beskrevet i 1933, kaldet Stiles-Crawford-effekten, hvor lys, der passerer gennem midten af pupillen, betragtes som lysere end lys, der passerer i en vinkel.Fordi det centrale lys kan være mere fokuseret på mitokondriebundtet, mener forskerne, at det kunne være bedre fokuseret på keglepigmentet.De foreslår, at måling af Stiles-Crawford-effekten kan hjælpe med tidlig påvisning af nethindesygdomme, hvoraf mange fører til mitokondrieskader og ændringer.Lees team ønskede at analysere, hvordan syge mitokondrier fokuserer lys forskelligt.
Det er en "smuk eksperimentel model" og en meget ny opdagelse, sagde Yirong Peng, en assisterende professor i oftalmologi ved UCLA, som ikke var involveret i undersøgelsen.Det vil være interessant at se, om disse mitokondrielle bundter også kan fungere inde i stængerne for at forbedre nattesynet, tilføjede Peng.
I det mindste i kegler kunne disse mitokondrier have udviklet sig til mikrolinser, fordi deres membraner består af lipider, der naturligt bryder lys, sagde Lee."Det er simpelthen det bedste materiale til funktionen."
Lipider synes også at finde denne funktion andre steder i naturen.Hos fugle og krybdyr er der udviklet strukturer kaldet oliedråber i nethinden, der tjener som farvefiltre, men menes også at fungere som mikrolinser, såsom mitokondriebundter.I et stort tilfælde af konvergent evolution, fugle, der cirkulerer over hovedet, myg, der summer omkring deres dejlige menneskelige bytte, læser du dette med passende optiske funktioner, der har udviklet sig uafhængigt – tilpasninger, der tiltrækker seere.Her kommer en klar og lys verden.
Redaktørens note: Yirong Peng modtog støtte fra Klingenstein-Simons Fellowship, et projekt støttet delvist af Simons Foundation, som også finansierer dette uafhængigt redigerede magasin.Simmons Foundations finansieringsbeslutning påvirker ikke vores rapportering.
Rettelse: 6. april 2022 Titlen på hovedbilledet identificerede oprindeligt forkert farven på mitokondriebundterne som lilla i stedet for gul.Lilla farvning er forbundet med membranen, der omgiver bundtet.
Magasinet Quanta modererer anmeldelser for at fremme en informeret, meningsfuld og civiliseret dialog.Kommentarer, der er stødende, blasfemiske, selvpromoverende, vildledende, usammenhængende eller uden for emnet, vil blive afvist.Moderatorer er åbne i normal åbningstid (New York-tid) og kan kun acceptere kommentarer skrevet på engelsk.
Indlægstid: 22. august 2022
