Bundels mitochondriën (geel) in gopher-fotoreceptorkegels spelen een onverwachte rol bij het nauwkeuriger focussen van diffuus licht (gloed van onderaf) (blauwe straal).Dit optische gedrag kan het zicht verbeteren door de pigmenten in kegelcellen efficiënter te maken in het opvangen van licht.
Een mug houdt je in de gaten door een microlens-array.Je draait je hoofd, houdt de vliegenmepper in je hand en kijkt naar de vampier met je nederige oog met één lens.Maar het blijkt dat je elkaar – en de wereld – meer kunt zien dan je denkt.
Een studie die vorige maand in het tijdschrift Science Advances werd gepubliceerd, toonde aan dat in het oog van zoogdieren mitochondriën, celvoedende organellen, een tweede microlensrol kunnen aannemen, waardoor het licht op fotopigmenten kan worden gefocust. Deze pigmenten zetten licht om in zenuwsignalen voor de hersenen om interpreteren.De bevindingen laten opvallende overeenkomsten zien tussen de ogen van zoogdieren en de samengestelde ogen van insecten en andere geleedpotigen, wat suggereert dat onze eigen ogen latente optische complexiteit hebben en dat evolutie een zeer oud deel van onze cellulaire anatomie heeft gevonden voor nieuwe toepassingen.
De lens aan de voorkant van het oog focust licht uit de omgeving op een dunne laag weefsel aan de achterkant, het netvlies.Daar absorberen fotoreceptorcellen - de kegeltjes die onze wereld kleuren en de staafjes die ons helpen navigeren bij weinig licht - licht en zetten het om in neurale signalen die naar de hersenen gaan.Maar fotopigmenten bevinden zich helemaal aan het einde van de fotoreceptoren, direct achter de dikke mitochondriale bundel.De vreemde opstelling van deze bundel verandert mitochondriën in schijnbaar onnodige lichtverstrooiende obstakels.
Mitochondriën zijn de "laatste barrière" voor lichte deeltjes, zei Wei Li, senior onderzoeker bij het National Eye Institute en hoofdauteur van het artikel.Jarenlang konden visiewetenschappers deze vreemde opstelling van deze organellen niet begrijpen - de mitochondriën van de meeste cellen klampen zich vast aan hun centrale organel - de kern.
Sommige wetenschappers hebben gesuggereerd dat deze bundels mogelijk niet ver zijn geëvolueerd van waar lichtsignalen worden omgezet in neurale signalen, een energie-intensief proces waardoor energie gemakkelijk kan worden gepompt en snel kan worden afgegeven.Maar toen begon onderzoek aan te tonen dat fotoreceptoren niet zoveel mitochondriën nodig hebben voor energie - in plaats daarvan kunnen ze meer energie krijgen in een proces dat glycolyse wordt genoemd en dat plaatsvindt in het gelatineuze cytoplasma van de cel.
Lee en zijn team leerden over de rol van deze mitochondriale banen door de kegelcellen van een gopher te analyseren, een klein zoogdier dat overdag uitstekend kan zien maar 's nachts eigenlijk blind is omdat zijn kegelfotoreceptoren onevenredig groot zijn.
Nadat computersimulaties hadden aangetoond dat mitochondriale bundels optische eigenschappen kunnen hebben, begonnen Lee en zijn team met experimenten op echte objecten.Ze gebruikten dunne monsters van het netvlies van eekhoorns en de meeste cellen werden verwijderd, behalve een paar kegeltjes, dus ze "kregen gewoon een zak mitochondriën" netjes verpakt in een membraan, zei Lee.
Door dit monster te belichten en het zorgvuldig te onderzoeken onder een speciale confocale microscoop, ontworpen door John Ball, een wetenschapper in Lee's lab en hoofdauteur van het onderzoek, vonden we een onverwacht resultaat.Licht dat door de mitochondriale bundel gaat, verschijnt als een heldere, scherp gefocuste bundel.De onderzoekers maakten foto's en video's van licht dat de duisternis binnendringt door deze microlenzen, waar fotopigmenten wachten in levende dieren.
De mitochondriale bundel speelt een sleutelrol, niet als een obstakel, maar bij het leveren van zoveel mogelijk licht aan de fotoreceptoren met minimaal verlies, zegt Li.
Met behulp van simulaties bevestigden hij en zijn collega's dat het lenseffect voornamelijk wordt veroorzaakt door de mitochondriale bundel zelf, en niet door het membraan eromheen (hoewel het membraan een rol speelt).Een eigenaardigheid van de natuurlijke geschiedenis van de gopher hielp hen ook aan te tonen dat de vorm van de mitochondriale bundel van cruciaal belang is voor zijn vermogen om te focussen: tijdens de maanden dat de gopher in winterslaap is, raken zijn mitochondriale bundels ongeordend en krimpen.Toen de onderzoekers modelleerden wat er gebeurt als licht door de mitochondriale bundel van een slapende grondeekhoorn gaat, ontdekten ze dat het licht niet zo veel concentreert als wanneer het uitgerekt en zeer geordend is.
In het verleden hebben andere wetenschappers gesuggereerd dat mitochondriale bundels kunnen helpen bij het verzamelen van licht in het netvlies, merkt Janet Sparrow op, hoogleraar oogheelkunde aan het Columbia University Medical Center.Het idee leek echter vreemd: “Sommige mensen zoals ik lachten en zeiden: 'Kom op, heb je echt zoveel mitochondriën om het licht te geleiden?'- ze zei."Het is echt een document dat het bewijst - en het is erg goed."
Lee en zijn collega's geloven dat wat ze bij gophers hebben waargenomen, ook kan gebeuren bij mensen en andere primaten, die een zeer vergelijkbare piramidale structuur hebben.Ze denken dat het zelfs een verklaring zou kunnen zijn voor een fenomeen dat voor het eerst werd beschreven in 1933, het Stiles-Crawford-effect, waarbij licht dat door het centrum van de pupil gaat, als helderder wordt beschouwd dan licht dat onder een hoek valt.Omdat het centrale licht meer op de mitochondriale bundel kan worden gericht, denken de onderzoekers dat het beter op het kegelpigment kan worden gericht.Ze suggereren dat het meten van het Stiles-Crawford-effect zou kunnen helpen bij de vroege detectie van netvliesaandoeningen, waarvan vele leiden tot mitochondriale schade en veranderingen.Lee's team wilde analyseren hoe zieke mitochondriën het licht anders focussen.
Het is een "prachtig experimenteel model" en een heel nieuwe ontdekking, zei Yirong Peng, een assistent-professor oogheelkunde aan de UCLA die niet bij het onderzoek betrokken was.Het zal interessant zijn om te zien of deze mitochondriale bundels ook in staafjes kunnen functioneren om het nachtzicht te verbeteren, voegde Peng eraan toe.
In de kegeltjes zouden deze mitochondriën in ieder geval tot microlenzen kunnen zijn geëvolueerd omdat hun membranen bestaan uit lipiden die van nature licht breken, zei Lee."Het is gewoon het beste materiaal voor de functie."
Lipiden lijken deze functie ook elders in de natuur te vinden.Bij vogels en reptielen hebben zich structuren in het netvlies ontwikkeld die oliedruppeltjes worden genoemd en die als kleurfilters dienen, maar waarvan wordt aangenomen dat ze ook functioneren als microlenzen, zoals mitochondriale bundels.In een groots geval van convergerende evolutie, vogels die boven ons cirkelen, muggen zoemen rond hun verrukkelijke menselijke prooi, lees je dit met passende optische kenmerken die onafhankelijk zijn geëvolueerd - aanpassingen die kijkers trekken.Hier komt een heldere en heldere wereld.
Noot van de redactie: Yirong Peng ontving de steun van de Klingenstein-Simons Fellowship, een project dat deels wordt ondersteund door de Simons Foundation, die ook dit onafhankelijk uitgegeven tijdschrift financiert.Het financieringsbesluit van de Simmons Foundation heeft geen invloed op onze rapportage.
Correctie: 6 april 2022 De titel van de hoofdafbeelding identificeerde aanvankelijk ten onrechte de kleur van de mitochondriale bundels als paars in plaats van geel.Paarse kleuring wordt geassocieerd met het membraan rond de bundel.
Quanta magazine modereert recensies om een geïnformeerde, zinvolle en beschaafde dialoog te bevorderen.Opmerkingen die beledigend, godslasterlijk, zelfpromotie, misleidend, onsamenhangend of off-topic zijn, worden afgewezen.Moderators zijn open tijdens normale kantooruren (New Yorkse tijd) en kunnen alleen opmerkingen accepteren die in het Engels zijn geschreven.
Posttijd: 22 aug-2022
