Bündel von Mitochondrien (gelb) innerhalb von Gopher-Photorezeptorkegeln spielen eine unerwartete Rolle bei der genaueren Fokussierung von diffusem Licht (Glühen von unten) (blauer Strahl).Dieses optische Verhalten kann das Sehen verbessern, indem es die Pigmente in Zapfenzellen effizienter macht, Licht einzufangen.
Eine Mücke beobachtet Sie durch ein Mikrolinsenarray.Du drehst deinen Kopf, hältst die Fliegenklatsche in der Hand und siehst den Vampir mit deinem bescheidenen Auge mit einer Linse an.Aber es stellt sich heraus, dass man sich – und die Welt – mehr sehen kann, als man denkt.
Eine im vergangenen Monat in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichte Studie ergab, dass Mitochondrien, zellernährende Organellen, im Auge von Säugetieren eine zweite Mikrolinsenrolle übernehmen können, die dabei hilft, Licht auf Photopigmente zu fokussieren, diese Pigmente wandeln Licht in Nervensignale für das Gehirn um interpretieren.Die Ergebnisse zeigen auffällige Ähnlichkeiten zwischen Säugetieraugen und den Facettenaugen von Insekten und anderen Arthropoden, was darauf hindeutet, dass unsere eigenen Augen eine latente optische Komplexität aufweisen und dass die Evolution einen sehr alten Teil unserer Zellanatomie für neue Zwecke gefunden hat.
Die Linse an der Vorderseite des Auges fokussiert Licht aus der Umgebung auf eine dünne Gewebeschicht auf der Rückseite, die Netzhaut genannt wird.Dort absorbieren Fotorezeptorzellen – die Zapfen, die unsere Welt färben, und die Stäbchen, die uns helfen, bei schwachem Licht zu navigieren – Licht und wandeln es in neuronale Signale um, die an das Gehirn weitergeleitet werden.Aber Photopigmente befinden sich ganz am Ende der Photorezeptoren, unmittelbar hinter dem dicken Mitochondrienbündel.Die seltsame Anordnung dieses Bündels verwandelt Mitochondrien in scheinbar unnötige lichtstreuende Hindernisse.
Mitochondrien seien die „letzte Barriere“ für Lichtpartikel, sagte Wei Li, leitender Forscher am National Eye Institute und Hauptautor der Abhandlung.Diese seltsame Anordnung dieser Organellen konnten Augenforscher viele Jahre lang nicht verstehen – schließlich klammern sich die Mitochondrien der meisten Zellen an ihr zentrales Organell – den Zellkern.
Einige Wissenschaftler haben vermutet, dass sich diese Strahlen möglicherweise nicht weit von der Stelle entwickelt haben, an der Lichtsignale in neuronale Signale umgewandelt werden, ein energieintensiver Prozess, der es ermöglicht, Energie leicht zu pumpen und schnell zu liefern.Aber dann begann die Forschung zu zeigen, dass Photorezeptoren nicht so viele Mitochondrien für Energie benötigen – stattdessen können sie mehr Energie in einem Prozess namens Glykolyse gewinnen, der im gallertartigen Zytoplasma der Zelle stattfindet.
Lee und sein Team lernten die Rolle dieser mitochondrialen Bahnen kennen, indem sie die Zapfenzellen eines Gophers analysierten, eines kleinen Säugetiers, das tagsüber hervorragend sieht, aber nachts tatsächlich blind ist, weil seine Zapfen-Fotorezeptoren unverhältnismäßig groß sind.
Nachdem Computersimulationen zeigten, dass mitochondriale Bündel optische Eigenschaften haben könnten, begannen Lee und sein Team mit Experimenten an realen Objekten.Sie verwendeten dünne Proben von Eichhörnchen-Retinas, und die meisten Zellen wurden bis auf ein paar Zapfen entfernt, so dass sie „nur eine Tüte Mitochondrien“ bekamen, die ordentlich in einer Membran verpackt war, sagte Lee.
Als wir diese Probe beleuchteten und sie sorgfältig unter einem speziellen konfokalen Mikroskop untersuchten, das von John Ball, einem Wissenschaftler in Lees Labor und Hauptautor der Studie, entwickelt wurde, fanden wir ein unerwartetes Ergebnis.Licht, das durch den mitochondrialen Strahl geht, erscheint als heller, scharf fokussierter Strahl.Die Forscher machten Fotos und Videos von Licht, das durch diese Mikrolinsen in die Dunkelheit drang, wo Photopigmente in lebenden Tieren auf sie warten.
Das mitochondriale Bündel spielt eine Schlüsselrolle, nicht als Hindernis, sondern um so viel Licht wie möglich mit minimalem Verlust an die Fotorezeptoren zu liefern, sagt Li.
Anhand von Simulationen bestätigten er und seine Kollegen, dass der Linseneffekt in erster Linie durch das Mitochondrienbündel selbst verursacht wird und nicht durch die es umgebende Membran (obwohl die Membran eine Rolle spielt).Eine Besonderheit in der Naturgeschichte des Gophers half ihnen auch zu demonstrieren, dass die Form des Mitochondrienbündels entscheidend für seine Fähigkeit ist, sich zu konzentrieren: Während der Monate, in denen der Gopher Winterschlaf hält, werden seine Mitochondrienbündel ungeordnet und schrumpfen.Als die Forscher modellierten, was passiert, wenn Licht durch das mitochondriale Bündel eines schlafenden Erdhörnchens fällt, stellten sie fest, dass es das Licht nicht so stark konzentriert, wie wenn es ausgestreckt und hochgeordnet ist.
In der Vergangenheit haben andere Wissenschaftler vorgeschlagen, dass mitochondriale Bündel helfen könnten, Licht in der Netzhaut zu sammeln, bemerkt Janet Sparrow, Professorin für Augenheilkunde am Columbia University Medical Center.Die Idee schien jedoch seltsam: „Einige Leute wie ich lachten und sagten: ‚Komm schon, hast du wirklich so viele Mitochondrien, um das Licht zu leiten?'- Sie sagte.„Es ist wirklich ein Dokument, das es beweist – und es ist sehr gut.“
Lee und seine Kollegen glauben, dass das, was sie bei Gophern beobachtet haben, auch bei Menschen und anderen Primaten passieren könnte, die eine sehr ähnliche Pyramidenstruktur haben.Sie glauben, dass es sogar ein 1933 erstmals beschriebenes Phänomen namens Stiles-Crawford-Effekt erklären könnte, bei dem Licht, das durch die Mitte der Pupille fällt, als heller angesehen wird als Licht, das in einem Winkel fällt.Da das zentrale Licht stärker auf das mitochondriale Bündel fokussiert werden kann, glauben die Forscher, dass es besser auf das Zapfenpigment fokussiert werden könnte.Sie schlagen vor, dass die Messung des Stiles-Crawford-Effekts bei der Früherkennung von Netzhauterkrankungen helfen könnte, von denen viele zu mitochondrialen Schäden und Veränderungen führen.Lees Team wollte analysieren, wie kranke Mitochondrien das Licht unterschiedlich fokussieren.
Es ist ein „schönes experimentelles Modell“ und eine sehr neue Entdeckung, sagte Yirong Peng, ein Assistenzprofessor für Augenheilkunde an der UCLA, der nicht an der Studie beteiligt war.Es wird interessant sein zu sehen, ob diese mitochondrialen Bündel auch in Stäbchen funktionieren können, um die Nachtsicht zu verbessern, fügte Peng hinzu.
Zumindest in Zapfen könnten sich diese Mitochondrien zu Mikrolinsen entwickelt haben, da ihre Membranen aus Lipiden bestehen, die auf natürliche Weise Licht brechen, sagte Lee.„Es ist einfach das beste Material für den Film.“
Lipide scheinen diese Funktion auch anderswo in der Natur zu finden.Bei Vögeln und Reptilien haben sich in der Netzhaut Strukturen namens Öltröpfchen entwickelt, die als Farbfilter dienen, aber auch als Mikrolinsen fungieren sollen, wie zum Beispiel Mitochondrienbündel.In einem großartigen Fall konvergenter Evolution, Vögel kreisen über ihnen, Mücken schwirren um ihre entzückende menschliche Beute, lesen Sie dies mit angemessenen optischen Merkmalen, die sich unabhängig voneinander entwickelt haben – Anpassungen, die den Betrachter anziehen.Hier kommt eine klare und helle Welt.
Anmerkung des Herausgebers: Yirong Peng erhielt die Unterstützung des Klingenstein-Simons-Stipendiums, eines Projekts, das teilweise von der Simons Foundation unterstützt wird, die auch dieses unabhängig herausgegebene Magazin finanziert.Die Förderentscheidung der Simmons Foundation hat keinen Einfluss auf unsere Berichterstattung.
Korrektur: 6. April 2022 Der Titel des Hauptbildes identifizierte die Farbe der Mitochondrienbündel zunächst fälschlicherweise als lila statt gelb.Eine violette Färbung ist mit der Membran verbunden, die das Bündel umgibt.
Das Quanta-Magazin moderiert Rezensionen, um einen informierten, sinnvollen und zivilisierten Dialog zu fördern.Kommentare, die beleidigend, blasphemisch, Eigenwerbung, irreführend, inkohärent oder nicht zum Thema gehören, werden zurückgewiesen.Moderatoren sind während der normalen Geschäftszeiten (New Yorker Zeit) geöffnet und können nur in englischer Sprache verfasste Kommentare akzeptieren.
Postzeit: 22. August 2022
