Amikor egy szúnyog bámul ránk mikroszkopikus szemeinek tömegével, mi pedig szerény egylencsés szemünkkel visszanézünk rá, hogy egy alkalmas pillanatban lecsapjuk, látásunk működésében több közös lehet, mint amit elsőre gondolnánk.
Mikroszkopikus lencsék
Egy, a Science Advances oldalain most közzétett tanulmány szerzői szerint az emlős szemekben a mitokondriumok, vagyis a sejteket energiával ellátó sejtszervecskék másodlagos szerepet kaphatnak a látásban. Mikroszkopikus lencsékként viselkedve segítenek a fényérzékeny receptorokként szolgáló pigmentekre fókuszálni a fényt, amelyek aztán idegi jelekké fordítják a fényjeleket, hogy az agy értelmezni tudja azokat.
Az eredmények szerint tehát rendkívüli hasonlóság van az emlős szemek tényleges működése és a rovarok és ízeltlábúak összetett látószervének működése között. Az új megfigyelések egyben arról is tanúskodnak, hogy saját látószervünk számos rejtett optikai komplexitással rendelkezik, és hogy az evolúció során egyes ősi sejtstruktúrák új funkciókra tehetnek szert.
A szemgolyó elején található szemlencse a szem hátulján levő vékony rétegre, a retinára fókuszálja a környezetből érkező fénysugarakat. Az ott található fotoreceptorsejtek, a színlátásért felelős csapok és a látást alacsony megvilágítás esetén is lehetővé tevő pálcikák elnyelik a fényt, és idegi jelekké alakítják továbbítva azokat az agy felé. A fényérzékeny pigmentek azonban a fotoreceptorsejtek legvégén ülnek, egy-egy vaskos kötegnyi mitokondrium mögött.
Ezen kötegek furcsa elhelyezkedése zavarba ejtette a kutatókat, hiszen a sejtszervecskék látszólag csak útban vannak a fény haladása során, szükségtelen akadályt okozva a látás folyamatában.
Wei Li, az új kutatás vezető szakértője szerint ezek a kötegek a végső akadályt jelentik a fény részecskéi számára. A kutatók évekig nem értették a sejtszervecskék furcsa elhelyezkedésének okát, már csak azért sem, mert a mitokondriumok a legtöbb sejtben a sejtmag körül csoportosulnak, nem pedig úgy, mint ezekben a sejtekben.
Néhány kutató azon a véleményen volt, hogy a kötegek azért kerültek közel ahhoz a helyhez, ahol a fényjelekből elektromos jelek képződnek, mert ez egy nagyon energiaigényes folyamat, és ha közel vannak a mitokondriumok, könnyen hozzáférhető a szükséges energia is. A vonatkozó kutatások azonban rendre azt mutatták, hogy a fotoreceptoroknak nincs szükségük a mitokondriumok energiájára, hanem ezek helyett inkább a glikolízisből nyerik az energiát, amely a sejtek zselészerű citoplazmájában zajlik.
Mókuslátás
Li és csapata a mókusfélék közé tartozó Marmotini nemzetség tagjaiban vizsgálták a mitokondriális kötegek lehetséges szerepét. A kérdéses nemzetség azért érdekes, mert látórendszerükben aránytalanul magas a csapok aránya, így míg nap közben elképesztően jó látással rendelkeznek, éjszaka gyakorlatilag vakok.
A számítógépes szimulációk alapján úgy tűnt, hogy a mitokondriális kötegeknek optikai szerepük lehet, ezért Li és társai kísérletekkel is vizsgálni kezdték ezek funkcióját. Az állatok retinájából vettek vékonyka mintákat, amelyekből eltávolították a legtöbb összetevőt a csapok mitokondriális kötegeinek kivételével. Így gyakorlatilag olyan csomagokat kaptak, amelyek szorosan egymás mellé pakolt mitokondriumokkal voltak tele.
A mintákat aztán megvilágították, és egy speciális konfokális mikroszkóppal megnézték, hogyan viselkedik a fény körülöttük. A mikroszkópot Li csapatának egyik kutatója, John Ball fejlesztette ki. A vizsgálatokból kiderült, hogy a csomagokra eső fény erős, fókuszált nyalábként emelkedik ki a mitokondriális köteg túlsó végén.
Vagyis a kötegek lencsékként viselkedve tovább fókuszálják a fényt, amelyet egyenesen a fotoreceptorsejtek pigmentjeire irányítanak. Az optikai működést a szakértők számos fotón és videón is rögzíteni tudták a kísérletek során.
A szimulációkból nyilvánvalóvá vált az is, hogy a lencséző hatás elsődlegesen a mitokondriális kötegek eredménye, nem pedig az ezeket körülvevő membráné, bár utóbbi is elősegítette a hatást. Az állatok evolúciójának egy furcsasága azt is segített feltárni, hogy a mitkondriális köteget formája kulcsfontosságú szerepet kap a fény fókuszálásban: az állatok télen hibernációs állapotba kerülnek, és ilyenkor a mitokondriális kötegek rendezetlenné válnak és összenyomódnak. Amikor a kutatók ezeket a „téli2 kötegeket is megvizsgálták optikai szempontból, kiderült, hogy ilyen állapotban ezek közel sem fókuszálják olyan hatékonyan a fényt, mint a hibernált állapoton kívüli, megnyúlt és rendezett „csomagok”.
Korábban más kutatók már elmélkedtek arról, hogy a mitokondriális kötegeknek szerepük lehet a fény retinán történő fókuszálásában, mondja Janet Sparrow, a Columbia Egyetem orvosi központjának látáskutatója, aki nem vett részt Li vizsgálatában. A teóriát ugyanakkor sokan furcsának és nevetségesnek találták, mert hihetetlennek tűnt, hogy ennyi mitokondrium csak arra szolgáljon, hogy a fény vezetését hatékonyabbá tegye. Az új tanulmány azonban kiválóan demonstrálja, hogy tényleg ez a helyzet, mondja a szakértő.
Betegségszűrő
Li és társai szerint igen valószínű, hogy amit a mókusfélék kapcsán megállapítottak, az emberekben és más főemlősökben is hasonlóan működik, ugyanis mi magunk is nagyon hasonló csapstruktúrával rendelkezünk. A jelenség egy furcsa megfigyelésre is magyarázatot adhat, amelyet először 1933-ban írtak le. A Stiler–Crawford-effektus lényege, hogy a pupilla közepén átjutó fény erősségét nagyobbnak érezzük, mint a másutt beérkező nyalábokat. Erre az lehet a magyarázat, hogy a középvonalban érkező fénysugarak pontosan párhuzamosak a mitokondriális kötegekkel, így jobban fókuszálódnak a csapok pigmentjeire.
A szakértők szerint a Stiler–Crawford-effektus mérésével korai fázisban elcsíphetők lehetnek a retinát érintő egyes betegségek, mivel a problémák java a mitokondriumokat is érinti, megváltoztatva a kötegek szerkezetét és optikai tulajdonságait. Li és társai a közeljövőben többek közt azt tervezik vizsgálni, hogy az egyes szembetegségek során hogyan változik a mitokondriális kötegek fókuszáló képessége.
Yi-Rong Peng, a Kaliforniai Egyetem látáskutatója szerint Li és társai „csodálatos kísérleti modellt alkottak” és valóban újdonságot jelentő eredményeket prezentáltak. A szakértő szerint azt is érdekes lenne vizsgálni, hogy a mitokondriális kötegek a pálcikák működésében is hasonló szerepet játszanak-e, fokozva az éjszakai látás minőségét.
Az azonban már most világosnak tűnik, hogy a csapokban a mitokondriumok funkciója úgy változott, hogy azok mikrolencsékként szolgálva segítsék a látást. Ebben a funkcióváltásban fontos szerep juthatott a mitokondriális mebránoknak, amelyek lipidekből állnak, így természetes módon képesek módosítani a fény útját, mondja Li, aki szerint a kérdéses membránok a legjobb nyersanyagot jelentik a kívánt funkcióhoz. A lipidek a természetben másutt is kaptak szerepet hasonló működésekben.
A madarak és a hüllők retinájában egyedi struktúrák, úgynevezett olajcseppek vannak, amelyek egyrészt színszűrőkként, másrészt a teóriák szerint mikrolencsékként szolgálnak, hasonlóan a mitokondriális kötegekhez.
Ha a teóriák helyesek, a konvergens evolúció egy iskolapéldájáról lehet szó, amelynek keretében a világot a magasból szemlélő madarak, az emberi áldozatukat szemmel tartó szúnyogok és a kérdéses emberek összetételükben nagyon eltérő, ugyanakkor nagyon hasonló szerkezeti alapokon nyugvó optikai funkciókra tettek szert az evolúció során annak érdekében, hogy élesen és színesben lássák a világot.
