Bunter av mitokondrier (gul) inne i gopher-fotoreseptorkjegler spiller en uventet rolle i mer presis fokusering av diffust lys (glød nedenfra) (blå stråle).Denne optiske oppførselen kan forbedre synet ved å gjøre pigmentene i kjeglecellene mer effektive til å fange lys.
En mygg ser på deg gjennom en mikrolinsegruppe.Du snur hodet, holder fluesmækkeren i hånden og ser på vampyren med ditt ydmyke, enlinsede øye.Men det viser seg at man kan se hverandre – og verden – mer enn man tror.
En studie publisert i forrige måned i tidsskriftet Science Advances fant at inne i pattedyrøyet kan mitokondrier, celle-nærende organeller, ta på seg en andre mikrolinserolle, som hjelper til med å fokusere lys på fotopigmenter, disse pigmentene konverterer lys til nervesignaler for hjernen. tolke.Funnene viser slående likheter mellom pattedyrøyne og sammensatte øyne til insekter og andre leddyr, noe som tyder på at våre egne øyne har latent optisk kompleksitet og at evolusjonen har gjort en veldig gammel del av vår cellulære anatomi funnet for nye bruksområder.
Linsen foran på øyet fokuserer lys fra omgivelsene på et tynt lag med vev på baksiden, kalt netthinnen.Der absorberer fotoreseptorceller - kjeglene som farger verden vår og stavene som hjelper oss å navigere i dårlig lys - lys og konverterer det til nevrale signaler som går til hjernen.Men fotopigmenter befinner seg helt i enden av fotoreseptorene, rett bak den tykke mitokondriebunten.Det merkelige arrangementet av denne bunten gjør mitokondrier til tilsynelatende unødvendige lysspredende hindringer.
Mitokondrier er den "siste barrieren" for lyspartikler, sa Wei Li, seniorforsker ved National Eye Institute og hovedforfatter av artikkelen.I mange år kunne ikke synsforskere forstå dette merkelige arrangementet av disse organellene - tross alt klamrer mitokondriene til de fleste celler seg til deres sentrale organell - kjernen.
Noen forskere har antydet at disse strålene kan ha utviklet seg ikke langt fra der lyssignaler konverteres til nevrale signaler, en energikrevende prosess som gjør at energi enkelt kan pumpes og leveres raskt.Men så begynte forskning å vise at fotoreseptorer ikke trenger så mange mitokondrier for energi – i stedet kan de få mer energi i en prosess som kalles glykolyse, som skjer i cellens gelatinøse cytoplasma.
Lee og teamet hans lærte om rollen til disse mitokondriekanalene ved å analysere kjeglecellene til en gopher, et lite pattedyr som har utmerket dagsyn, men som faktisk er blind om natten fordi kjeglefotoreseptorene er uforholdsmessig store.
Etter at datasimuleringer viste at mitokondrielle bunter kunne ha optiske egenskaper, begynte Lee og teamet hans eksperimenter på virkelige objekter.De brukte tynne prøver av ekornnetthinner, og de fleste av cellene ble fjernet bortsett fra noen få kjegler, så de "fikk bare en pose med mitokondrier" pent pakket inne i en membran, sa Lee.
Ved å belyse denne prøven og nøye undersøke den under et spesielt konfokalt mikroskop designet av John Ball, en vitenskapsmann i Lees laboratorium og hovedforfatter av studien, fant vi et uventet resultat.Lys som passerer gjennom mitokondriestrålen fremstår som en lys, skarpt fokusert stråle.Forskerne tok bilder og videoer av lys som penetrerer mørket gjennom disse mikrolinsene, der fotopigmenter venter hos levende dyr.
Mitokondriebunten spiller en nøkkelrolle, ikke som en hindring, men i å levere så mye lys som mulig til fotoreseptorene med minimalt tap, sier Li.
Ved hjelp av simuleringer bekreftet han og kollegene at linseeffekten først og fremst er forårsaket av selve mitokondriebunten, og ikke av membranen rundt den (selv om membranen spiller en rolle).Et særpreg i gopherens naturhistorie hjalp dem også med å demonstrere at formen på mitokondriebunten er avgjørende for dens evne til å fokusere: i løpet av månedene gopheren går i dvale, blir mitokondriebuntene uordnet og krymper.Da forskerne modellerte hva som skjer når lys passerer gjennom mitokondriebunten til et sovende ekorn, fant de ut at det ikke konsentrerer lyset like mye som når det er strukket ut og svært ordnet.
Tidligere har andre forskere antydet at mitokondrielle bunter kan bidra til å samle lys i netthinnen, bemerker Janet Sparrow, professor i oftalmologi ved Columbia University Medical Center.Imidlertid virket ideen merkelig: «Noen mennesker som meg lo og sa: 'Kom igjen, har du virkelig så mange mitokondrier som veileder lyset?'- hun sa."Det er virkelig et dokument som beviser det - og det er veldig bra."
Lee og kollegene hans tror at det de observerte i gophers også kan skje hos mennesker og andre primater, som har en veldig lik pyramideformet struktur.De tror det til og med kan forklare et fenomen som først ble beskrevet i 1933 kalt Stiles-Crawford-effekten, der lys som passerer gjennom midten av pupillen anses som lysere enn lys som passerer i en vinkel.Fordi det sentrale lyset kan være mer fokusert på mitokondriebunten, tror forskerne at det kan være bedre fokusert på kjeglepigmentet.De antyder at måling av Stiles-Crawford-effekten kan hjelpe til med tidlig oppdagelse av netthinnesykdommer, hvorav mange fører til mitokondriell skade og endringer.Lees team ønsket å analysere hvordan syke mitokondrier fokuserer lys annerledes.
Det er en "vakker eksperimentell modell" og en veldig ny oppdagelse, sa Yirong Peng, en assisterende professor i oftalmologi ved UCLA som ikke var involvert i studien.Det vil være interessant å se om disse mitokondriebuntene også kan fungere inne i stenger for å forbedre nattsynet, la Peng til.
I det minste i kjegler kunne disse mitokondriene ha utviklet seg til mikrolinser fordi membranene deres består av lipider som naturlig bryter lys, sa Lee."Det er rett og slett det beste materialet for funksjonen."
Lipider ser også ut til å finne denne funksjonen andre steder i naturen.Hos fugler og krypdyr har det utviklet seg strukturer kalt oljedråper i netthinnen som fungerer som fargefiltre, men som også antas å fungere som mikrolinser, for eksempel mitokondriebunter.I et stort tilfelle av konvergent evolusjon, fugler som sirkler over hodet, mygg som surrer rundt deres herlige menneskelige byttedyr, leser du dette med passende optiske funksjoner som har utviklet seg uavhengig – tilpasninger som tiltrekker seere.Her kommer en klar og lys verden.
Redaktørens notat: Yirong Peng mottok støtte fra Klingenstein-Simons Fellowship, et prosjekt støttet delvis av Simons Foundation, som også finansierer dette uavhengig redigerte magasinet.Finansieringsbeslutningen til Simmons Foundation påvirker ikke vår rapportering.
Rettelse: 6. april 2022 Tittelen på hovedbildet identifiserte opprinnelig feil fargen på mitokondriebuntene som lilla i stedet for gul.Lilla farging er assosiert med membranen som omgir bunten.
Quanta magazine modererer anmeldelser for å fremme en informert, meningsfull og sivilisert dialog.Kommentarer som er støtende, blasfemiske, selvpromoterende, villedende, usammenhengende eller utenfor temaet vil bli avvist.Moderatorer er åpne i normal arbeidstid (New York-tid) og kan kun godta kommentarer skrevet på engelsk.
Innleggstid: 22. august 2022
