蚊は、顕微鏡レンズの格子を通してあなたを見ています。あなたは振り返り、ハエたたきを手に取り、謙虚な一眼で吸血鬼を注意深く追跡します。しかし、お互いの見方、そして世界に対する見方には、思っているよりも多くの共通点があることがわかりました.
Science Advances で先月発表された研究 哺乳類の眼の中で、細胞に電力を供給するオルガネラであるミトコンドリアが、顕微鏡レンズとして 2 番目の役割を果たしており、脳が解釈できるように光を神経信号に変換する光受容体色素に光を集中させるのに役立っている可能性があることを発見しました。哺乳類の目と昆虫や他の節足動物の複眼との間に驚くべき類似点を描く発見は、私たち自身の目には隠されたレベルの光学的複雑性があり、進化が私たちの細胞解剖学の非常に古い部分に新しい用途を見つけたことを示唆しています。 /P>
目の一番前にある水晶体は、環境からの光を後ろの網膜と呼ばれる組織の薄い層に集束させます。そこでは、光受容細胞 (私たちの世界を色で塗りつぶす錐体と、暗い場所での移動を助ける桿体) が光を吸収し、それを神経信号に変換して脳に伝達します。しかし、光に敏感な色素は光受容体の端、ミトコンドリアの厚い束のすぐ後ろに位置しています。このバンドルの奇妙な配置は、ミトコンドリアを一見不必要な、光を散乱させる障害物に変えます.
ミトコンドリアは、光粒子の「最後のハードル」であると、国立眼科研究所の上級研究員であり、論文の上級著者である Wei Li 氏は述べています。何年もの間、視覚科学者はこれらのオルガネラのこの奇妙な配置を理解できませんでした。結局、ほとんどの細胞は、ミトコンドリアが中心のオルガネラである核を抱きしめています.
一部の科学者は、束が進化して、光信号が神経信号に変換される場所の近くに位置するように進化した可能性があると提案しました。これは非常にエネルギーを必要とするプロセスであり、エネルギーを簡単に汲み出し、迅速に送達します。しかしその後、研究により、光受容体はエネルギーのためにこれほど多くのミトコンドリアを必要とせず、代わりに、細胞のゼラチン状の細胞質で起こる解糖と呼ばれるプロセスからより多くのエネルギーを受け取る可能性があることが示唆され始めました.
リーと彼のチームは、ジリスの錐体を分析することによって、これらのミトコンドリアの束の役割を学ぶことに着手しました。ジリスは、日中は驚くべき視覚を持っていますが、その光受容体が不釣り合いに錐体であるため、実質的に夜盲症です。
コンピューター シミュレーションにより、ミトコンドリアの束に光学的特性がある可能性が示唆された後、Li と彼のチームは実物を使った実験を開始しました。彼らは、リスの網膜の薄いサンプルを使用し、錐体の一部を除いてほとんどの細胞を取り除いたので、膜の中にきれいに詰め込まれた「ミトコンドリアの袋だけがほとんど残った」と Li 氏は述べた。
このサンプルに光を当てて、Li の研究室のスタッフ科学者であり研究の筆頭著者である John Ball によって作られた特別な共焦点顕微鏡で精査すると、驚くべき結果が明らかになりました。ミトコンドリア束を通過する光は、明るく、はっきりと焦点を合わせたビームとして現れました。研究者たちは、これらのマイクロレンズを通して、生きている動物の光受容体色素が待っていたであろう暗闇の中に光を放つ写真やビデオを撮影しました.
ミトコンドリアの束は、障害になるのではなく、損失を最小限に抑えてできるだけ多くの光を光受容体に送り込むのに役立つ重要な役割を果たしているようです.
シミュレーションにより、彼と彼の同僚は、レンズ効果が主にミトコンドリア束自体によって引き起こされ、それを取り囲む膜によって引き起こされたものではないことを確認しました (ただし、膜は役割を果たしました)。また、ジリスの自然史の特異性は、ミトコンドリア束の形状が集中力にとって重要であることを証明するのにも役立ちました。ジリスが冬眠する数か月間、ミトコンドリア束は無秩序になり、圧縮されます。研究者が冬眠中のジリスのミトコンドリア束を光が通過するときに何が起こるかをシミュレートしたところ、光が長く伸びて高度に秩序化されている場合ほどには光が集中しないことがわかりました.
過去に、他の科学者は、ミトコンドリア束が網膜での光の収集を助けているのではないかと推測していたと、Li の研究には関与していないコロンビア大学医療センターの眼科の教授である Janet Sparrow は指摘した。それでも、このアイデアは非常に奇妙に思えたので、「私のような一部の人々は、「ああ、光を導くためだけに、本当に多くのミトコンドリアを持っているのですか?」と笑って言いました. 「これは実際にそれを実証した論文であり、非常にうまくいきました。」
リーと彼の同僚は、彼らがジリスで見たものは、非常によく似た錐体構造を持つ人間や他の霊長類でも発生する可能性が高いと考えています.彼らは、1933年に最初に報告され、瞳孔のまさに中心を通過する光が斜めに入射する光よりも明るく知覚される、スタイルズ・クロフォード効果と呼ばれる現象を説明することさえできると示唆した.その中央の光はミトコンドリアの束とより整列している可能性があるため、研究者は、錐体の色素によりよく集中する可能性があると考えています. Stiles-Crawford 効果の測定は、網膜疾患の多くがミトコンドリアの損傷と変化を引き起こすため、網膜疾患の早期発見に役立つ可能性があることを示唆しています。 Li のチームは、病気のミトコンドリアがどのように異なる方法で光を集中させるかを分析したいと考えています。
これは「美しい実験モデル」であり、非常に斬新な発見であると、この研究には関与していないカリフォルニア大学ロサンゼルス校の眼科の助教授であるイーロン・ペンは述べています。 Peng 氏は、これらのミトコンドリアの束が桿体内で暗視を強化する役割を果たしている可能性があるかどうかを調べることは興味深いだろうと付け加えた.
少なくとも錐体では、これらのミトコンドリアはマイクロレンズとして機能するように進化した可能性があります。なぜなら、それらの膜は光を曲げる自然な能力を持つ脂質で構成されているからです. 「この機能を実現するのに最適な素材です。」
脂質は、この機能を自然界の他の場所でも見つけたようです。鳥類と爬虫類は、油滴と呼ばれる構造を網膜内で進化させました。油滴は、カラー フィルターとして機能しますが、ミトコンドリア バンドルのようなマイクロレンズとしても機能すると仮定されています。収斂進化の壮大な例では、鳥が頭上で旋回し、蚊がおいしい人間の犠牲者の周りを飛び回り、この記事を読んでいるあなたはすべて、関連する光学機能を独立して進化させました。これは、見る人の目にシャープで活気のある世界をもたらす適応です.
編集者注:Yi-Rong Peng は、Klingenstein-Simons Fellowship から支援を受けています。このプログラムは、Simons Foundation によって部分的にサポートされており、この編集的に独立した雑誌にも資金を提供しています。 .シモンズ財団の資金提供の決定は、私たちの報道に影響を与えません.
訂正:2022 年 4 月 6 日
最初の画像のキャプションは、もともとミトコンドリアの束の色を黄色ではなく紫色と誤認していました.マゼンタの染みは、束を取り囲む膜と関連しています。
