میتوکندری ممکن است بینایی را با کارآمدتر کردن رنگدانه در سلول های مخروطی در جذب نور بهبود بخشد

دسته‌های میتوکندری (زرد) درون مخروط‌های گیرنده نوری گوفر نقش غیرمنتظره‌ای در تمرکز دقیق‌تر نور منتشر (درخشش از پایین) (پرتو آبی) دارند.این رفتار نوری می‌تواند بینایی را با کارآمدتر کردن رنگدانه‌های سلول‌های مخروطی در جذب نور بهبود بخشد.

یک پشه از طریق یک مجموعه میکرولنز شما را تماشا می کند.سرت را می چرخانی، آب مگس را در دست می گیری، و با چشم فروتن و تک عدسی خود به خون آشام نگاه می کنی.اما معلوم می شود که شما می توانید همدیگر - و جهان - را بیشتر از آنچه فکر می کنید ببینید.

مطالعه‌ای که ماه گذشته در مجله Science Advances منتشر شد، نشان داد که درون چشم پستانداران، میتوکندری‌ها، اندامک‌های تغذیه‌کننده سلول، می‌توانند نقش دوم میکرولنز را ایفا کنند و به تمرکز نور بر روی رنگدانه‌های نوری کمک کنند، این رنگدانه‌ها نور را به سیگنال‌های عصبی برای مغز تبدیل می‌کنند. تفسیر.یافته‌ها شباهت‌های قابل توجهی را بین چشم‌های پستانداران و چشم‌های مرکب حشرات و سایر بندپایان نشان می‌دهد، که نشان می‌دهد چشمان ما دارای پیچیدگی نوری پنهانی است و تکامل بخشی بسیار قدیمی از آناتومی سلولی ما را برای استفاده‌های جدید پیدا کرده است.

عدسی در جلوی چشم، نور محیط را بر روی لایه نازکی از بافت در پشت چشم متمرکز می کند که شبکیه نامیده می شود.در آنجا، سلول‌های گیرنده نور - مخروط‌هایی که دنیای ما را رنگ می‌کنند و میله‌هایی که به ما کمک می‌کنند در نور کم حرکت کنیم - نور را جذب کرده و آن را به سیگنال‌های عصبی تبدیل می‌کنند که به مغز می‌رود.اما فتوپیگمنت ها در انتهای گیرنده های نوری، بلافاصله در پشت دسته ضخیم میتوکندری قرار دارند.چینش عجیب این بسته میتوکندری را به موانع پراکنده نور به ظاهر غیر ضروری تبدیل می کند.

وی لی، محقق ارشد موسسه ملی چشم و نویسنده ارشد این مقاله گفت: میتوکندری ها "آخرین سد" در برابر ذرات نور هستند.برای سال‌های متمادی، دانشمندان بینایی نمی‌توانستند این آرایش عجیب این اندامک‌ها را درک کنند – بالاخره میتوکندری اکثر سلول‌ها به اندامک مرکزی آنها – هسته می‌چسبد.

برخی از دانشمندان پیشنهاد کرده‌اند که این پرتوها ممکن است نه چندان دور از جایی که سیگنال‌های نوری به سیگنال‌های عصبی تبدیل می‌شوند، تکامل یافته باشند، فرآیندی پر انرژی که اجازه می‌دهد انرژی به راحتی پمپ شود و به سرعت تحویل داده شود.اما سپس تحقیقات نشان داد که گیرنده های نوری به تعداد زیادی میتوکندری برای انرژی نیاز ندارند – در عوض، آنها می توانند انرژی بیشتری را در فرآیندی به نام گلیکولیز دریافت کنند که در سیتوپلاسم ژلاتینی سلول اتفاق می افتد.

لی و تیمش با تجزیه و تحلیل سلول‌های مخروطی یک گوفر، یک پستاندار کوچک که دید عالی در روز دارد اما در واقع در شب نابینا است، در مورد نقش این مجراهای میتوکندریایی مطلع شدند زیرا گیرنده‌های نوری مخروطی آن به طور نامتناسبی بزرگ هستند.

پس از اینکه شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان داد که بسته‌های میتوکندری می‌توانند ویژگی‌های نوری داشته باشند، لی و تیمش آزمایش‌هایی را بر روی اجسام واقعی آغاز کردند.لی گفت، آن‌ها از نمونه‌های نازک شبکیه سنجاب استفاده کردند و بیشتر سلول‌ها به جز چند مخروط برداشته شدند، بنابراین آنها «فقط یک کیسه میتوکندری» به‌خوبی درون یک غشاء قرار دادند.

با روشن کردن این نمونه و بررسی دقیق آن در زیر میکروسکوپ کانفوکال ویژه طراحی شده توسط جان بال، دانشمند آزمایشگاه لی و نویسنده اصلی این مطالعه، به نتیجه غیرمنتظره ای رسیدیم.نوری که از پرتو میتوکندری می گذرد به صورت یک پرتو روشن و با تمرکز شدید ظاهر می شود.محققان عکس‌ها و فیلم‌هایی از نفوذ نور به تاریکی از طریق این میکرولنزها، جایی که رنگدانه‌های نوری در حیوانات زنده وجود دارد، گرفتند.

لی می گوید که بسته میتوکندری نقش کلیدی دارد، نه به عنوان یک مانع، بلکه در رساندن حداکثر نور ممکن به گیرنده های نوری با حداقل تلفات.

او و همکارانش با استفاده از شبیه‌سازی‌ها تأیید کردند که اثر عدسی عمدتاً توسط خود بسته‌ی میتوکندری ایجاد می‌شود و نه توسط غشای اطراف آن (اگرچه غشاء نقشی را ایفا می‌کند).یک نکته عجیب از تاریخ طبیعی گوفر همچنین به آنها کمک کرد تا نشان دهند که شکل دسته میتوکندری برای توانایی تمرکز آن بسیار مهم است: در طول ماه‌هایی که گوفر به خواب زمستانی می‌رود، دسته‌های میتوکندریایی آن بی‌نظم می‌شوند و کوچک می‌شوند.وقتی محققان مدل‌سازی کردند که هنگام عبور نور از بسته‌های میتوکندریایی یک سنجاب زمینی خوابیده چه اتفاقی می‌افتد، دریافتند که نور را به اندازه زمانی که کشیده و مرتب می‌شود، متمرکز نمی‌کند.

جانت اسپارو، استاد چشم‌پزشکی در مرکز پزشکی دانشگاه کلمبیا، خاطرنشان می‌کند که در گذشته، دانشمندان دیگر پیشنهاد کرده‌اند که بسته‌های میتوکندری ممکن است به جمع‌آوری نور در شبکیه کمک کنند.با این حال، این ایده عجیب به نظر می رسید: "بعضی از افراد مانند من خندیدند و گفتند، "بیا، آیا واقعاً این تعداد میتوکندری برای هدایت نور دارید؟"- او گفت."این واقعا سندی است که آن را ثابت می کند - و بسیار خوب است."

لی و همکارانش بر این باورند که آنچه در گوفرها مشاهده کرده‌اند می‌تواند در انسان‌ها و دیگر نخستی‌ها نیز اتفاق بیفتد که ساختار هرمی بسیار مشابهی دارند.آنها فکر می کنند حتی ممکن است پدیده ای را توضیح دهد که برای اولین بار در سال 1933 به نام اثر استایلز-کرافورد توصیف شد، که در آن نوری که از مرکز مردمک می گذرد روشن تر از نوری است که با زاویه عبور می کند.از آنجایی که نور مرکزی می تواند بیشتر بر روی بسته میتوکندری متمرکز شود، محققان فکر می کنند که می تواند بهتر روی رنگدانه مخروطی متمرکز شود.آنها پیشنهاد می کنند که اندازه گیری اثر استایلز- کرافورد می تواند در تشخیص زودهنگام بیماری های شبکیه، که بسیاری از آنها منجر به آسیب و تغییرات میتوکندری می شود، کمک کند.تیم لی می‌خواست بررسی کند که چگونه میتوکندری‌های بیمار نور را به‌طور متفاوتی متمرکز می‌کنند.

یرونگ پنگ، استادیار چشم پزشکی در UCLA که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: این یک "مدل تجربی زیبا" و یک کشف بسیار جدید است.پنگ افزود، دیدن این که آیا این بسته‌های میتوکندریایی می‌توانند در داخل میله‌ها نیز برای بهبود دید در شب عمل کنند، جالب خواهد بود.

لی گفت، حداقل در مخروط‌ها، این میتوکندری‌ها می‌توانستند به میکرولنزها تبدیل شوند، زیرا غشاهای آنها از لیپیدهایی تشکیل شده است که به طور طبیعی نور را می‌شکنند."این به سادگی بهترین ماده برای این ویژگی است."

به نظر می رسد لیپیدها نیز این عملکرد را در جای دیگری از طبیعت پیدا می کنند.در پرندگان و خزندگان، ساختارهایی به نام قطرات روغن در شبکیه ایجاد شده است که به عنوان فیلترهای رنگی عمل می کنند، اما تصور می شود که به عنوان میکرولنزها مانند بسته های میتوکندریایی نیز عمل می کنند.در یک مورد بزرگ از تکامل همگرا، پرندگانی که بالای سرشان می چرخند، پشه ها در اطراف طعمه انسان لذت بخش خود وزوز می کنند، این را با ویژگی های نوری مناسبی که به طور مستقل تکامل یافته اند می خوانید - سازگاری هایی که بینندگان را جذب می کند.اینجا یک دنیای روشن و روشن می آید.

یادداشت سردبیر: یرونگ پنگ از حمایت کمک هزینه تحصیلی کلینگشتاین-سیمونز برخوردار شد، پروژه ای که تا حدی توسط بنیاد سیمونز حمایت می شود، که همچنین بودجه این مجله ویرایش شده مستقل را تامین می کند.تصمیم مالی بنیاد سیمونز بر گزارش ما تأثیری ندارد.

تصحیح: 6 آوریل 2022 عنوان تصویر اصلی در ابتدا به اشتباه رنگ دسته‌های میتوکندری را بنفش به جای زرد مشخص می‌کرد.رنگ آمیزی بنفش با غشای اطراف بسته نرم افزاری همراه است.
مجله Quanta بررسی‌ها را تعدیل می‌کند تا گفتگوی آگاهانه، معنادار و متمدنانه را ترویج کند.نظراتی که توهین آمیز، توهین آمیز، خودنمایی، گمراه کننده، نامنسجم یا خارج از موضوع باشد رد می شود.مدیران در ساعات کاری عادی (به وقت نیویورک) باز هستند و فقط می توانند نظراتی را که به زبان انگلیسی نوشته شده اند بپذیرند.