Buntar av mitokondrier (gula) inuti gopher-fotoreceptorkoner spelar en oväntad roll i mer exakt fokusering av diffust ljus (glöd underifrån) (blå stråle).Detta optiska beteende kan förbättra synen genom att göra pigmenten i konceller mer effektiva för att fånga ljus.
En mygga tittar på dig genom en mikrolinsuppsättning.Du vänder på huvudet, håller flugsmällaren i handen och tittar på vampyren med ditt ödmjuka, enlinsiga öga.Men det visar sig att man kan se varandra – och världen – mer än man tror.
En studie som publicerades förra månaden i tidskriften Science Advances fann att inuti däggdjursögat kan mitokondrier, cellnärande organeller, ta på sig en andra mikrolinsroll och hjälpa till att fokusera ljus på fotopigment, dessa pigment omvandlar ljus till nervsignaler för hjärnan. tolka.Fynden visar slående likheter mellan däggdjursögon och sammansatta ögon hos insekter och andra leddjur, vilket tyder på att våra egna ögon har latent optisk komplexitet och att evolutionen har gjort en mycket gammal del av vår cellulära anatomi hittad för nya användningsområden.
Linsen på framsidan av ögat fokuserar ljus från omgivningen på ett tunt lager av vävnad på baksidan, som kallas näthinnan.Där absorberar fotoreceptorceller - kottarna som färgar vår värld och stavarna som hjälper oss att navigera i svagt ljus - ljus och omvandlar det till neurala signaler som går till hjärnan.Men fotopigment är belägna i slutet av fotoreceptorerna, omedelbart bakom den tjocka mitokondriella bunten.Det märkliga arrangemanget av denna bunt förvandlar mitokondrier till till synes onödiga ljusspridande hinder.
Mitokondrier är den "sista barriären" för ljuspartiklar, säger Wei Li, seniorforskare vid National Eye Institute och huvudförfattare till artikeln.Under många år kunde synforskare inte förstå detta konstiga arrangemang av dessa organeller – trots allt klamrar de flesta cellers mitokondrier fast vid deras centrala organell – kärnan.
Vissa forskare har föreslagit att dessa strålar kan ha utvecklats inte långt från där ljussignaler omvandlas till neurala signaler, en energikrävande process som gör att energi enkelt kan pumpas och levereras snabbt.Men sedan började forskningen visa att fotoreceptorer inte behöver lika många mitokondrier för energi – istället kan de få mer energi i en process som kallas glykolys, som sker i cellens gelatinösa cytoplasma.
Lee och hans team lärde sig om rollen av dessa mitokondriella kanaler genom att analysera koncellerna hos en gopher, ett litet däggdjur som har utmärkt dagsyn men som faktiskt är blind på natten eftersom dess konfotoreceptorer är oproportionerligt stora.
Efter att datorsimuleringar visade att mitokondriella buntar kunde ha optiska egenskaper, började Lee och hans team experiment på verkliga föremål.De använde tunna prover av ekorrnäthinnor, och de flesta av cellerna togs bort förutom några kottar, så de "fick bara en påse mitokondrier" snyggt packade inuti ett membran, sa Lee.
Genom att belysa detta prov och noggrant undersöka det under ett speciellt konfokalmikroskop designat av John Ball, en vetenskapsman i Lees labb och huvudförfattare till studien, fann vi ett oväntat resultat.Ljus som passerar genom den mitokondriella strålen ser ut som en ljus, skarpt fokuserad stråle.Forskarna tog foton och filmer av ljus som tränger igenom mörkret genom dessa mikrolinser, där fotopigment väntar hos levande djur.
Den mitokondriella bunten spelar en nyckelroll, inte som ett hinder, utan för att leverera så mycket ljus som möjligt till fotoreceptorerna med minimal förlust, säger Li.
Med hjälp av simuleringar bekräftade han och hans kollegor att linseffekten i första hand orsakas av själva mitokondrieknippet och inte av membranet runt det (även om membranet spelar en roll).En egenhet av gopherns naturhistoria hjälpte dem också att visa att formen på mitokondriella bunten är avgörande för dess förmåga att fokusera: under månaderna som gophern går i viloläge blir dess mitokondriella buntar oordnade och krymper.När forskarna modellerade vad som händer när ljus passerar genom mitokondriella bunt av en sova mark ekorre, fann de att det inte koncentrerar ljus så mycket som när det är utsträckt och välordnat.
Tidigare har andra forskare föreslagit att mitokondriella buntar kan hjälpa till att samla ljus i näthinnan, konstaterar Janet Sparrow, professor i oftalmologi vid Columbia University Medical Center.Men idén verkade märklig: "Vissa människor som jag skrattade och sa: "Kom igen, har du verkligen så många mitokondrier att vägleda ljuset?"- Hon sa."Det är verkligen ett dokument som bevisar det - och det är väldigt bra."
Lee och hans kollegor tror att det de observerade hos gophers också kan hända hos människor och andra primater, som har en mycket liknande pyramidstruktur.De tror att det till och med kan förklara ett fenomen som först beskrevs 1933, kallat Stiles-Crawford-effekten, där ljus som passerar genom pupillens centrum anses ljusare än ljus som passerar i en vinkel.Eftersom det centrala ljuset kan vara mer fokuserat på mitokondrieknippet, tror forskarna att det kunde fokuseras bättre på konpigmentet.De föreslår att mätning av Stiles-Crawford-effekten kan hjälpa till vid tidig upptäckt av retinala sjukdomar, av vilka många leder till mitokondriella skador och förändringar.Lees team ville analysera hur sjuka mitokondrier fokuserar ljuset annorlunda.
Det är en "vacker experimentell modell" och en mycket ny upptäckt, säger Yirong Peng, biträdande professor i oftalmologi vid UCLA som inte var involverad i studien.Det kommer att bli intressant att se om dessa mitokondriella buntar också kan fungera inuti stavar för att förbättra mörkerseendet, tillade Peng.
Åtminstone i koner kunde dessa mitokondrier ha utvecklats till mikrolinser eftersom deras membran består av lipider som naturligt bryter ljus, sa Lee."Det är helt enkelt det bästa materialet för funktionen."
Lipider verkar också hitta denna funktion någon annanstans i naturen.Hos fåglar och reptiler har strukturer som kallas oljedroppar utvecklats i näthinnan som fungerar som färgfilter, men som också tros fungera som mikrolinser, till exempel mitokondriella buntar.I ett stort fall av konvergent evolution, fåglar som cirkulerar ovanför, myggor som surrar runt deras förtjusande mänskliga byte, läser du detta med lämpliga optiska egenskaper som har utvecklats oberoende av varandra – anpassningar som lockar tittare.Här kommer en klar och ljus värld.
Redaktörens anteckning: Yirong Peng fick stöd från Klingenstein-Simons Fellowship, ett projekt som delvis stöds av Simons Foundation, som också finansierar denna oberoende redigerade tidning.Simmons Foundations finansieringsbeslut påverkar inte vår rapportering.
Rättelse: 6 april 2022 Titeln på huvudbilden identifierade initialt felaktigt färgen på mitokondrieknippena som lila istället för gul.Lila färgning är associerad med membranet som omger bunten.
Magasinet Quanta modererar recensioner för att främja en informerad, meningsfull och civiliserad dialog.Kommentarer som är stötande, hädiska, självreklam, vilseledande, osammanhängande eller utanför ämnet kommer att avvisas.Moderatorer är öppna under normala öppettider (New York-tid) och kan endast acceptera kommentarer skrivna på engelska.
Posttid: 2022-august
