میتوکندری‌ها در چشم به‌عنوان عدسی عمل می‌کنند

پشه شما را به‌کمک شبکه‌ای از لنزهای میکروسکوپی می‌بیند. شما به او خیره می‌شوید و با مگس‌کشی در دست این موجود خون‌خوار را با چشمان تک‌لنزی خود دنبال می‌کنید. با‌این‌حال، روشی که شما همدیگر و جهان را می‌بینید، بیشتر از چیزی که فکر می‌کنید، به‌هم شبیه است.

مطالعه‌ای که ماه گذشته در مجله‌ی Science Advances منتشر شد، نشان داد درون چشم پستانداران، میتوکندری‌ها (اندامک‌هایی که به سلول‌ها نیرو می‌دهند) ممکن است نقش دیگری نیز داشته باشند. این اندامک‌ها ممکن است به‌عنوان لنزهای میکروسکوپی عمل و به تمرکز نور روی رنگدانه‌های گیرنده نور کمک کنند. سلول‌های گیرنده نور، نور را به سیگنال‌های عصبی تبدیل می‌کنند تا مغز آن‌ها را تفسیر کند.

یافته‌ها جدید که بیانگر شباهت زیاد میان چشم پستانداران و چشمان مرکب حشرات و بندپایان دیگر است، نشان می‌دهد چشم‌های ما لنزهای پنهانی با پیچیدگی نوری دارد و تکامل کاربردهای جدیدی برای بخش‌های بسیار قدیمی آناتومی سلولی ما پیدا کرده است.

عدسی در قسمت جلو چشم نور محیط را روی لایه نازکی از بافت به نام شبکیه متمرکز می‌کند. در آن‌‌‌جا، سلول‌های گیرنده نور (سلول‌های مخروطی که دنیای ما را رنگی و سلول‌های استوانه‌ای که به ما کمک می‌کنند تا در نور کم ببینیم) نور را جذب می‌کنند و آن را به سیگنال‌های عصبی ترجمه می‌کنند که به مغز منتقل می‌شود.

رنگ‌دانه‌های حساس به نور در انتهای گیرنده‌های نوری، درست پشت دسته‌ی ضخیمی از میتوکندری‌ها قرار دارند. وضعیت قرارگیری عجیب این میتوکندری‌ها آن‌ها را به موانع ظاهراً غیرضروری و پراکنده‌کننده‌ی نور تبدیل می‌کند. وی لی، پژوهشگر ارشد مؤسسه‌ی ملی بینایی ایالات متحده‌ی آمریکا و نویسنده‌ی ارشد مقاله، گفت میتوکندری‌ها مانع نهایی سر راه ذرات نور هستند.

برای سال‌ها، دانشمندان متخصص درزمینه‌ی بینایی علت موقعیت عجیب این اندامک‌ها را متوجه نمی‌شدند. در بیشتر سلول‌ها، میتوکندری‌ها در اطراف اندامک مرکزی‌شان، یعنی هسته، قرار گرفته‌اند. برخی دانشمندان پیشنهاد کردند که این بسته‌ها ممکن است به‌گونه‌ای تکامل پیدا کرده باشند که نزدیک محلی قرار گیرند و سیگنال‌های نور به سیگنال‌های عصبی تبدیل می‌شوند. طبق این فرضیه، با‌‌‌توجه‌‌‌به اینکه فرایند مذکور به انرژی زیادی نیاز دارد، وجود میتوکندری‌ها در این محل به تحویل سریع انرژی موردنیاز کمک می‌کند.

مطالعات بعدی نشان داد گیرنده‌های نور به این تعداد میتوکندری برای انرژی نیازی ندارند و ممکن است بیشتر انرژی خود را ازطریق فرایندی به نام گلیکولیز به‌دست آورند که در سیتوپلاسم ژلاتینی سلول رخ می‌دهد.

دسته‌های میتوکندریایی (زرد) درون مخروط‌های گیرنده‌ی نور سنجاب‌های زمینی نقش غیرمنتظره‌ای در متمرکزکردن نور منتشر ایفا می‌کند. این رفتار نوری ممکن است با کارآمدترکردن جذب نور ازطریق رنگ‌دانه‌های موجود در سلول‌های مخروطی، بینایی را تقویت کند.

لی و تیمش با تجزیه‌و‌تحلیل سلول‌های مخروطی سنجاب زمینی به نقش این بسته‌های میتوکندری پی بردند. سنجاب زمینی پستاندار کوچکی است که در طول روز بینایی قوی دارد؛ اما هنگام شب عملاً نابینا است؛ زیرا گیرنده‌های نوری آن به‌طور نامتناسبی از نوع مخروطی هستند.

پس از اینکه شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان داد که بسته‌های میتوکندری ممکن است خواص نوری داشته باشند، لی و تیمش آزمایش روی بافت واقعی را شروع کردند. آنان از نمونه‌ی نازکی از شبکیه‌ی سنجاب استفاده کردند که بیشتر سلول‌های آن به‌جز بخش‌هایی از سلول‌های مخروطی آن را جدا شده بود؛ به‌طوری‌که به‌گفته‌ی لی، درنهایت تقریباً فقط یک کیسه میتوکندری باقی ماند که به‌طور مرتب درون غشا بسته‌بندی شده بود. با تاباندن نور روی این نمونه و بررسی دقیق آن زیر میکروسکوپ هم‌کانون مخصوصی که جان بال، دانشمند آزمایشگاه لی و نویسنده‌ی اصلی مطالعه، ساخته بود، نتیجه‌ی شگفت‌انگیزی حاصل شد.

نوری که از بسته‌ی میتوکندری می‌گذشت، به‌شکل پرتو روشن و متمرکزی ظاهر شد. پژوهشگران عکس‌ها و ویدئوهایی از عبور نور از این لنزهای کوچک گرفتند. در موجود زنده، نور پس از عبور از این لنزهای کوچک به رنگ‌دانه‌های سلول‌های گیرنده نور می‌رسد. لی گفت به‌جای اینکه بسته‌های میتوکندری مانع باشند، به‌نظر می‌رسد نقش مهمی در کمک به تمرکز نور روی گیرنده‌های نوری با حداقل تلفات ایفا کنند. او و همکارانش با شبیه‌سازی تأیید کردند که اثر لنز را عمدتاً خودِ دسته‌ی میتوکندری ایجاد می‌کند و نه غشای اطراف آن.

نحوه‌ی زندگی سنجاب‌های زمینی نیز به پژوهشگران کمک کرد تا ثابت کنند که شکل دسته‌ی میتوکندری برای توانایی‌های تمرکز آن بسیار مهم است. در طول ماه‌هایی که سنجاب زمینی به خواب زمستانی فرومی‌رود، دسته‌های میتوکندری بی‌نظم و فشرده می‌شوند. وقتی پژوهشگران آنچه هنگام عبور نور از دسته‌ی میتوکندریایی سنجاب زمینی در خواب زمستانی رخ می‌دهد، شبیه‌سازی کردند، دریافتند نور را به خوبی زمانی که کشیده و منظم است، متمرکز نمی‌کند.

دسته‌های میتوکندریایی در چشم سنجاب‌های زمینی هنگام خواب زمستانی تغییر شکل پیدا می‌کنند (سمت راست). شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد شکل نامنظم دسته‌‌های میتوکندری در سنجابی که در خواب زمستانی قرار دارد، به‌خوبی دسته‌های کشیده و منظم سنجاب‌های فعال نور را متمرکز نمی‌کند.

جانت اسپارو، استاد بخش چشم‌پزشکی در مرکز پزشکی دانشگاه کلمبیا، خاطرنشان کرد:

در گذشته، دانشمندان دیگر حدس زده بودند که دسته‌های میتوکندری ممکن است به جمع‌شدن نور در شبکیه کمک کنند. با‌این‌حال، این ایده به‌قدری عجیب به‌نظر می‌رسید که برخی افراد ازجمله خود من به آن می‌خندیدند و می‌گفتند: «بی‌خیال! آیا واقعاً این تعداد میتوکندری را فقط برای هدایت نور دارید؟ این مقاله‌ای بود که به‌خوبی این واقعیت را نشان داد.»

لی و همکارانش فکر می‌کنند آنچه در سنجاب‌های زمینی مشاهده کرده‌اند، احتمالاً در انسان‌ها و نخستی‌های دیگر نیز وجود دارد؛ زیرا ساختار مخروطی بسیار مشابهی دارند. آنان پیشنهاد کردند که این یافته حتی می‌تواند پدیده‌ای را توضیح دهد که اولین‌بار در سال ۱۹۳۳ گزارش شد و اثر استایلز‌کرافورد نامیده می‌شود. طبق این اثر، نوری که از مرکز مردمک چشم می‌گذرد، درمقایسه‌با نور زاویه‌دار به‌عنوان نور روشن‌تری درک می‌شود. ازآن‌‌‌جاکه نور مرکزی ممکن است با دسته‌های میتوکندری همسوتر باشد، پژوهشگران فکر می‌کنند که ممکن است بهتر روی رنگدانه‌های سلول‌های مخروطی متمرکز شود.

پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که اندازه‌گیری اثر استایلز‌کرافورد ممکن است به تشخیص زودهنگام بیماری‌های شبکیه کمک کند؛ زیرا بسیاری از آن‌ها موجب آسیب و تغییر میتوکندری‌ها می‌شوند. تیم لی امیدوار است که این موضوع را بررسی کند که چگونه میتوکندری‌های بیمار ممکن است نور را به روش متفاوتی متمرکز کنند.

یی رونگ پنگ، استادیار بخش چشم‌پزشکی دانشگاه کالیفرنیا، گفت این مدل تجربی زیبا و یافته‌ی بسیار جدیدی است. پنگ افزود جالب است ببینیم که آیا این دسته‌های میتوکندریایی می‌توانند درون سلول‌های استوانه‌ای نیز برای تقویت دید در شب نقشی ایفا کنند. لی گفت حداقل در سلول‌های مخروطی، این میتوکندری‌ها ممکن است تکامل پیدا کرده باشند تا به‌عنوان لنزهای کوچکی عمل کنند؛ زیرا غشای آن‌ها از لیپیدهایی تشکیل شده است که توانایی طبیعی شکست نور را دارند. آن‌ها بهترین ماده برای دستیابی به این عملکرد هستند.

به‌نظر می‌رسد لیپیدها این عملکرد را در جاهای دیگری در طبیعت پیدا کرده باشند. پرندگان و خزندگان ساختاری به نام قطرات روغن را در شبکیه‌ی خود تکامل داده‌اند که به‌عنوان فیلتر رنگ عمل می‌کند؛ اما فرض می‌شود که آن‌ها نیز همچون بسته‌های میتوکندریایی، مانند لنزهای ریزی عمل کنند. در نمونه‌ی چشمگیری از تکامل همگرا، پرندگانی که بالای سر ما پرواز و پشه‌هایی که اطراف ما وزوز می‌کنند و همچنین ما انسان‌ها، همه به‌طور مستقل عملکردهای نوری مرتبطی را تکامل داده‌ و به سازگاری‌هایی دست پیدا کرده‌ایم تا جهانی واضح و روشن را ببینیم.