Пучки митохондрий (желтые) внутри колбочек фоторецепторов суслика играют неожиданную роль в более точной фокусировке рассеянного света (свечение снизу) (голубой луч).Это оптическое поведение может улучшить зрение, делая пигменты в колбочках более эффективными при захвате света.
Комар наблюдает за вами через массив микролинз.Вы поворачиваете голову, держите мухобойку в руке и смотрите на вампира своим скромным однолинзовым глазом.Но оказывается, что вы можете видеть друг друга — и мир — больше, чем вы думаете.
Исследование, опубликованное в прошлом месяце в журнале Science Advances, показало, что внутри глаза млекопитающих митохондрии, питающие клетки органеллы, могут выполнять роль второй микролинзы, помогая фокусировать свет на фотопигментах. Эти пигменты преобразуют свет в нервные сигналы для мозга. интерпретировать.Полученные данные показывают поразительное сходство между глазами млекопитающих и сложными глазами насекомых и других членистоногих, предполагая, что наши собственные глаза обладают скрытой оптической сложностью и что эволюция сделала очень древнюю часть нашей клеточной анатомии найденной для новых целей.
Хрусталик в передней части глаза фокусирует свет из окружающей среды на тонкий слой ткани сзади, называемый сетчаткой.Там фоторецепторные клетки — колбочки, которые окрашивают наш мир, и палочки, которые помогают нам ориентироваться при слабом освещении, — поглощают свет и преобразуют его в нейронные сигналы, которые поступают в мозг.А вот фотопигменты располагаются на самом конце фоторецепторов, сразу за толстым митохондриальным пучком.Странное расположение этого пучка превращает митохондрии в, казалось бы, ненужные светорассеивающие препятствия.
Митохондрии являются «последним барьером» для световых частиц, сказал Вей Ли, старший научный сотрудник Национального института глаза и ведущий автор статьи.Многие годы ученые-зрители не могли понять это странное расположение этих органелл — ведь митохондрии большинства клеток цепляются за их центральную органеллу — ядро.
Некоторые ученые предположили, что эти лучи, возможно, возникли недалеко от того места, где световые сигналы преобразуются в нейронные сигналы, что является энергоемким процессом, позволяющим легко перекачивать и быстро доставлять энергию.Но затем исследования начали показывать, что фоторецепторам не нужно столько митохондрий для получения энергии — вместо этого они могут получать больше энергии в процессе, называемом гликолизом, который происходит в студенистой цитоплазме клетки.
Ли и его команда узнали о роли этих митохондриальных трактов, проанализировав клетки колбочек суслика, небольшого млекопитающего, которое прекрасно видит днем, но на самом деле слепо ночью, потому что его фоторецепторы колбочек непропорционально велики.
После того, как компьютерное моделирование показало, что митохондриальные пучки могут обладать оптическими свойствами, Ли и его команда начали эксперименты на реальных объектах.Они использовали тонкие образцы сетчатки белков, и большая часть клеток была удалена, за исключением нескольких колбочек, поэтому они «получили просто мешок митохондрий», аккуратно упакованный внутри мембраны, сказал Ли.
Осветив этот образец и внимательно изучив его под специальным конфокальным микроскопом, разработанным Джоном Боллом, ученым из лаборатории Ли и ведущим автором исследования, мы обнаружили неожиданный результат.Свет, проходящий через митохондриальный луч, выглядит как яркий, резко сфокусированный луч.Исследователи сделали фото и видео света, проникающего в темноту через эти микролинзы, где у живых животных ждут фотопигменты.
Пучок митохондрий играет ключевую роль не как препятствие, а в доставке как можно большего количества света к фоторецепторам с минимальными потерями, говорит Ли.
Используя моделирование, он и его коллеги подтвердили, что эффект линзы в первую очередь вызывается самим митохондриальным пучком, а не мембраной вокруг него (хотя мембрана играет роль).Причуда естественной истории суслика также помогла им продемонстрировать, что форма митохондриального пучка имеет решающее значение для его способности фокусироваться: в течение месяцев зимней спячки суслика его митохондриальные пучки становятся неупорядоченными и сжимаются.Когда исследователи смоделировали, что происходит, когда свет проходит через митохондриальный пучок спящего суслика, они обнаружили, что он не концентрирует свет так сильно, как когда он растянут и сильно упорядочен.
В прошлом другие ученые предполагали, что пучки митохондрий могут помочь собирать свет в сетчатке, отмечает Джанет Спарроу, профессор офтальмологии Медицинского центра Колумбийского университета.Однако идея показалась странной: «Некоторые люди вроде меня засмеялись и сказали: «Да ладно, у вас действительно так много митохондрий, чтобы направлять свет?»- она сказала.«Это действительно документ, который доказывает это — и это очень хорошо».
Ли и его коллеги считают, что то, что они наблюдали у сусликов, может происходить и у людей и других приматов, которые имеют очень похожую пирамидальную структуру.Они думают, что это может даже объяснить феномен, впервые описанный в 1933 году, называемый эффектом Стайлза-Кроуфорда, при котором свет, проходящий через самый центр зрачка, считается более ярким, чем свет, проходящий под углом.Поскольку центральный свет может быть более сфокусирован на митохондриальном пучке, исследователи считают, что он может быть лучше сфокусирован на пигменте колбочки.Они предполагают, что измерение эффекта Стайлза-Кроуфорда может помочь в раннем выявлении заболеваний сетчатки, многие из которых приводят к повреждению и изменениям митохондрий.Команда Ли хотела проанализировать, как больные митохондрии по-разному фокусируют свет.
Это «красивая экспериментальная модель» и очень новое открытие, сказал Иронг Пэн, доцент кафедры офтальмологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, не участвовавший в исследовании.Будет интересно посмотреть, могут ли эти митохондриальные пучки также функционировать внутри палочек для улучшения ночного зрения, добавил Пэн.
По крайней мере, в колбочках эти митохондрии могли эволюционировать в микролинзы, потому что их мембраны состоят из липидов, которые естественным образом преломляют свет, сказал Ли.«Это просто лучший материал для фильма».
Липиды, кажется, также находят эту функцию в других местах в природе.У птиц и рептилий в сетчатке образовались структуры, называемые масляными каплями, которые служат цветовыми фильтрами, но также считается, что они функционируют как микролинзы, такие как митохондриальные пучки.В грандиозном случае конвергентной эволюции, когда птицы кружат над головой, комары жужжат вокруг своей восхитительной человеческой добычи, вы читаете это с соответствующими оптическими особенностями, которые развились независимо — адаптации, которые привлекают зрителей.Перед вами чистый и светлый мир.
Примечание редактора: Yirong Peng получил поддержку Klingenstein-Simons Fellowship, проекта, частично поддерживаемого Фондом Simons, который также финансирует этот независимо издаваемый журнал.Решение Фонда Симмонса о финансировании не влияет на нашу отчетность.
Исправление: 6 апреля 2022 г. Название основного изображения изначально неправильно определяло цвет митохондриальных пучков как пурпурный, а не желтый.Пурпурное окрашивание связано с мембраной, окружающей пучок.
Журнал Quanta модерирует обзоры, чтобы способствовать информированному, содержательному и цивилизованному диалогу.Комментарии, которые являются оскорбительными, кощунственными, саморекламными, вводящими в заблуждение, бессвязными или не относящимися к теме, будут отклонены.Модераторы открыты в обычные рабочие часы (по нью-йоркскому времени) и могут принимать только комментарии, написанные на английском языке.
Время публикации: 22 августа 2022 г.
