Ty thể có thể cải thiện thị lực bằng cách làm cho sắc tố trong các tế bào hình nón hiệu quả hơn trong việc thu được ánh sáng

Các bó ty thể (màu vàng) bên trong các hình nón của tế bào cảm quang gopher đóng một vai trò bất ngờ trong việc tập trung chính xác hơn của ánh sáng khuếch tán (phát sáng từ bên dưới) (chùm màu xanh).Hành vi quang học này có thể cải thiện tầm nhìn bằng cách làm cho các sắc tố trong các tế bào hình nón hiệu quả hơn trong việc thu được ánh sáng.

Một con muỗi đang theo dõi bạn thông qua một mảng microlens.Bạn quay đầu lại, giữ Flyswatter trong tay và nhìn vào ma cà rồng bằng con mắt đơn tử, khiêm tốn của bạn.Nhưng hóa ra bạn có thể nhìn thấy nhau - và thế giới - nhiều hơn bạn nghĩ.

Một nghiên cứu được công bố vào tháng trước trên tạp chí Science Advances cho thấy bên trong mắt động vật có vú, ty thể, các cơ quan nuôi dưỡng tế bào, có thể đảm nhận vai trò microlens thứ hai, giúp tập trung ánh sáng vào các sắc tố, các sắc tố này chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu thần kinh cho não thông dịch.Những phát hiện cho thấy sự tương đồng nổi bật giữa mắt động vật có vú và mắt hợp chất của côn trùng và các động vật chân đốt khác, cho thấy rằng đôi mắt của chúng ta có độ phức tạp quang học tiềm ẩn và sự tiến hóa đã tạo ra một phần rất cổ xưa trong giải phẫu tế bào của chúng ta được tìm thấy cho các mục đích sử dụng mới.

Ống kính ở phía trước của mắt tập trung ánh sáng từ môi trường lên một lớp mô mỏng ở phía sau, được gọi là võng mạc.Ở đó, các tế bào cảm thụ ánh sáng - các tế bào hình nón tô màu thế giới của chúng ta và các tế bào hình que giúp chúng ta định hướng trong điều kiện ánh sáng yếu - hấp thụ ánh sáng và chuyển nó thành các tín hiệu thần kinh truyền đến não.Nhưng quang điện được đặt ở cuối của các tế bào cảm quang, ngay sau bó ty thể dày.Sự sắp xếp kỳ lạ của bó này biến ty thể thành vật cản tán xạ ánh sáng dường như không cần thiết.

Wei Li, nhà nghiên cứu cấp cao tại Viện Mắt Quốc gia và là tác giả chính của bài báo, cho biết ti thể là “rào cản cuối cùng” đối với các hạt ánh sáng.Trong nhiều năm, các nhà khoa học về thị giác không thể hiểu được sự sắp xếp kỳ lạ của các bào quan này - xét cho cùng, ty thể của hầu hết các tế bào đều bám vào bào quan trung tâm của chúng - nhân.

Một số nhà khoa học cho rằng các chùm này có thể đã phát triển không xa nơi các tín hiệu ánh sáng được chuyển đổi thành tín hiệu thần kinh, một quá trình sử dụng nhiều năng lượng cho phép năng lượng dễ dàng bơm và phân phối nhanh chóng.Nhưng sau đó, nghiên cứu bắt đầu chỉ ra rằng các tế bào cảm quang không cần nhiều ty thể để lấy năng lượng, thay vào đó, chúng có thể có được nhiều năng lượng hơn trong một quá trình gọi là glycolysis, xảy ra trong tế bào chất gelatin của tế bào.

Lee và nhóm của ông đã tìm hiểu về vai trò của những đặc điểm ty thể này bằng cách phân tích các tế bào hình nón của một con gopher, một loài động vật có vú nhỏ có tầm nhìn ban ngày tuyệt vời nhưng thực sự bị mù vào ban đêm vì các tế bào cảm thụ ánh sáng hình nón của nó lớn không cân đối.

Sau khi mô phỏng máy tính cho thấy các bó ty thể có thể có tính chất quang học, Lee và nhóm của anh ta đã bắt đầu thí nghiệm trên các vật thể thật.Họ sử dụng các mẫu mỏng của võng mạc sóc, và hầu hết các tế bào đã bị loại bỏ ngoại trừ một số tế bào hình nón, vì vậy họ “chỉ có một túi ti thể” được đóng gói gọn gàng bên trong một lớp màng, Lee nói.

Bằng cách chiếu sáng mẫu này và kiểm tra cẩn thận dưới kính hiển vi đồng tiêu đặc biệt được thiết kế bởi John Ball, một nhà khoa học trong phòng thí nghiệm của Lee và là tác giả chính của nghiên cứu, chúng tôi đã tìm thấy một kết quả bất ngờ.Ánh sáng đi qua tia ti thể xuất hiện dưới dạng một chùm sáng, hội tụ mạnh.Các nhà nghiên cứu đã chụp ảnh và quay video về ánh sáng xuyên qua bóng tối qua các ống kính siêu nhỏ này, nơi các hiện tượng quang học đang chờ đợi ở các động vật sống.

Li cho biết, bó ty thể đóng một vai trò quan trọng, không phải là một trở ngại, mà là cung cấp càng nhiều ánh sáng càng tốt cho các tế bào thụ cảm với sự mất mát tối thiểu.

Sử dụng các mô phỏng, ông và các đồng nghiệp của mình xác nhận rằng hiệu ứng thấu kính chủ yếu do chính bó ty thể gây ra, chứ không phải do màng xung quanh nó (mặc dù màng đóng một vai trò nào đó).Một điều kỳ lạ về lịch sử tự nhiên của gopher cũng giúp họ chứng minh rằng hình dạng của bó ty thể rất quan trọng đối với khả năng tập trung của nó: trong những tháng gopher ngủ đông, các bó ty thể của nó trở nên rối loạn và co lại.Khi các nhà nghiên cứu mô hình hóa những gì sẽ xảy ra khi ánh sáng đi qua bó ty thể của một con sóc đất đang ngủ, họ phát hiện ra rằng nó không tập trung ánh sáng nhiều như khi nó được kéo dài ra và có trật tự cao.

Trước đây, các nhà khoa học khác đã gợi ý rằng các bó ty thể có thể giúp thu thập ánh sáng trong võng mạc, Janet Sparrow, giáo sư nhãn khoa tại Trung tâm Y tế Đại học Columbia, cho biết.Tuy nhiên, ý tưởng này có vẻ kỳ lạ: “Một số người như tôi đã cười và nói, 'Nào, bạn thực sự có nhiều ty thể như vậy để hướng dẫn ánh sáng?'- cô ấy nói.

Lee và các đồng nghiệp của ông tin rằng những gì họ quan sát được ở chuột túi cũng có thể xảy ra ở người và các loài linh trưởng khác, những loài có cấu trúc hình chóp rất giống nhau.Họ nghĩ rằng nó thậm chí có thể giải thích một hiện tượng được mô tả lần đầu tiên vào năm 1933 được gọi là hiệu ứng Stiles-Crawford, trong đó ánh sáng đi qua chính tâm của đồng tử được coi là sáng hơn ánh sáng đi qua một góc.Bởi vì ánh sáng trung tâm có thể tập trung nhiều hơn vào bó ty thể, các nhà nghiên cứu nghĩ rằng nó có thể tập trung tốt hơn vào sắc tố hình nón.Họ gợi ý rằng việc đo lường hiệu ứng Stiles-Crawford có thể giúp phát hiện sớm các bệnh về võng mạc, nhiều bệnh dẫn đến tổn thương và thay đổi ty thể.Nhóm của Lee muốn phân tích xem các ty thể bị bệnh tập trung ánh sáng khác nhau như thế nào.

Yirong Peng, trợ lý giáo sư nhãn khoa tại UCLA, người không tham gia nghiên cứu, cho biết đây là một “mô hình thí nghiệm tuyệt đẹp” và là một khám phá rất mới.Sẽ rất thú vị khi xem liệu các bó ty thể này cũng có thể hoạt động bên trong các que để cải thiện thị lực ban đêm hay không, Peng nói thêm.

Ít nhất là trong hình nón, các ty thể này có thể đã phát triển thành microlenses vì ​​màng của chúng được tạo thành từ các lipit tự nhiên khúc xạ ánh sáng, Lee nói.Đây chỉ đơn giản là vật liệu tốt nhất cho tính năng này.

Lipid dường như cũng tìm thấy chức năng này ở những nơi khác trong tự nhiên.Ở chim và bò sát, các cấu trúc được gọi là giọt dầu đã phát triển trong võng mạc, đóng vai trò như bộ lọc màu, nhưng cũng được cho là có chức năng như các vi thấu kính, chẳng hạn như các bó ty thể.Trong một trường hợp lớn của quá trình tiến hóa hội tụ, những con chim bay lượn trên không, những con muỗi vo ve xung quanh con người thú vị của chúng, bạn đọc nội dung này với các tính năng quang học thích hợp đã phát triển độc lập - các chuyển thể thu hút người xem.Ở đây có một thế giới rõ ràng và tươi sáng.

Ghi chú của biên tập viên: Yirong Peng đã nhận được sự hỗ trợ của Học bổng Klingenstein-Simons, một dự án được hỗ trợ một phần bởi Quỹ Simons, quỹ này cũng tài trợ cho tạp chí được biên tập độc lập này.Quyết định tài trợ của Simmons Foundation không ảnh hưởng đến báo cáo của chúng tôi.

Sửa lại: Ngày 6 tháng 4 năm 2022 Tiêu đề của hình ảnh chính ban đầu xác định sai màu của các bó lạp thể là màu tím thay vì màu vàng.Nhuộm tím liên kết với màng bao quanh bó.
Tạp chí Quanta kiểm duyệt các đánh giá để thúc đẩy một cuộc đối thoại thông báo, có ý nghĩa và văn minh.Các nhận xét xúc phạm, báng bổ, tự quảng cáo, gây hiểu lầm, không mạch lạc hoặc lạc đề sẽ bị từ chối.Người điều hành mở cửa trong giờ làm việc bình thường (giờ New York) và chỉ có thể chấp nhận nhận xét bằng tiếng Anh.