Widzenie bez oczu

Następujący esej został przedrukowany za zgodą The Conversation, internetowej publikacji obejmującej najnowsze badania.

My, ludzie, jesteśmy niezwykle wizualnymi stworzeniami. A ci z nas, którzy są obdarzeni normalnym wzrokiem, są przyzwyczajeni do myślenia o naszych oczach jako o istotnym elemencie sposobu, w jaki doświadczamy świata.

Wizja jest zaawansowaną formą fotorecepcji – czyli wyczuwania światła. Ale my również doświadczamy innych bardziej rudymentarnych form fotorecepcji w naszym codziennym życiu. Wszyscy znamy, na przykład, przyjemność z postrzegania ciepłego słońca na naszej skórze, w tym przypadku przy użyciu ciepła jako substytutu światła. Żadne oczy, ani nawet specjalne komórki fotoreceptorowe nie są potrzebne.

Ale naukowcy odkryli w ostatnich dekadach, że wiele zwierząt – w tym istoty ludzkie – mają wyspecjalizowane cząsteczki wykrywające światło w nieoczekiwanych miejscach, poza oczami. Te „pozagałkowe fotoreceptory” znajdują się zwykle w centralnym układzie nerwowym lub w skórze, ale często także w narządach wewnętrznych. Co robią cząsteczki wyczuwające światło w miejscach poza oczami?

Wizja zależy od wykrywania światła

Wszystkie komórki wzrokowe zidentyfikowane u zwierząt wykrywają światło za pomocą pojedynczej rodziny białek, zwanych opsynami. Białka te chwytają światłoczułą cząsteczkę – pochodzącą z witaminy A – która zmienia swoją strukturę pod wpływem światła. Opsyna z kolei zmienia swój własny kształt i włącza ścieżki sygnalizacyjne w komórkach fotoreceptorowych, które ostatecznie wysyłają do mózgu wiadomość, że światło zostało wykryte.

Większość naszej świadomej wizji pochodzi z fotoreceptorów w siatkówce, światłoczułej warstwy z tyłu naszej gałki ocznej. U zwierząt z kręgosłupem (kręgowców) komórki, które wykrywają światło do widzenia, mają kształt zbliżony do pręcików lub czopków, stąd ich znane nazwy.

Wiemy od jakiegoś czasu, że inne kręgowce mają dodatkowe fotoreceptory w swoich mózgach. Ale naukowcy przez długi czas sądzili, że pręciki i czopki to w zasadzie cała historia widzenia u ssaków. Dlatego też odkrycie na początku lat 2000 przez grupę Davida Bersona z Brown University innych komórek w siatkówce myszy, które reagują na światło, było szokiem.

Jeszcze dziwniejsze były związane z tym odkrycia w wielu laboratoriach pokazujące, że komórki te zawierały nową klasę białek opsynowych zwanych melanopsynami, nigdy wcześniej nie widzianych u kręgowców (ale podobnych do tych z wielu bezkręgowców). Wydaje się, że nie są one zaangażowane w świadome widzenie.

Nie możemy nazwać ich pozagałkowymi, ponieważ są one tam, w oku. Zamiast tego są często określane jako „niewidzialne” fotoreceptory. To termin, którego badacze używają dla wszystkich zwierzęcych fotoreceptorów, które nie są związane ze ścieżkami obrazowania w systemach nerwowych.

Więc teraz wiemy, że istnieją niewizualne fotoreceptory w samych oczach u wielu – być może większości – zwierząt. Gdzie jeszcze możemy je znaleźć w całym ciele?

Polowanie na fotoreceptory nie w oczach

Ogólnie, identyfikacja potencjalnego pozagałkowego fotoreceptora oznacza poszukiwanie białek, które mogą wykrywać światło, opsyn. Pojawienie się niedrogich i wydajnych technologii genetyki molekularnej sprawiło, że poszukiwanie opsyn stało się chałupniczym zajęciem w laboratoriach na całym świecie.

Komórki zawierające opsyny są prawdopodobnie aktywnymi fotoreceptorami, ale badacze używają testów fizjologicznych lub behawioralnych, aby to potwierdzić. Na przykład, mogą szukać zmian elektrycznych lub szukać zmian w aktywności zwierzęcia, gdy narażają komórkę na światło.

Fotoreceptory, które naukowcy znaleźli poza oczami, najczęściej znajdują się w centralnym układzie nerwowym. Prawie wszystkie zwierzęta mają kilka typów w mózgu i często w nerwach, jak również.

Skóra jest, gdzie widzimy większość innych receptorów światła, szczególnie w aktywnych komórek zmieniających kolor lub narządów skóry zwanych chromatofory. Są to czarne, brązowe lub jaskrawo kolorowe plamki wysportowane przez wiele ryb, krabów lub żab. Najwyższy stopień rozwoju osiągają one u głowonogów: ośmiornic, kałamarnic i mątw. Zwierzęta aktywnie kontrolują ich kolor lub wzór z kilku powodów, najczęściej w celu kamuflażu (dopasowania do koloru i wzoru tła) lub w celu wytworzenia jasnych, wyraźnych sygnałów agresji lub przyciągnięcia partnera.

Zaskakująco, oprócz opsyn istnieje druga klasa cząsteczek światłoczułych, nigdy nie wykorzystywanych do widzenia (o ile nam wiadomo). Pojawiają się one w niektórych strukturach nerwowych, takich jak mózgi lub czułki niektórych owadów, a nawet w siatkówkach ptaków. Są to kryptochromy, dobrze nazwane, ponieważ ich funkcje i sposób działania są wciąż słabo poznane. Kryptochromy zostały pierwotnie odkryte u roślin, gdzie kontrolują wzrost i coroczne zmiany reprodukcyjne.

Dlaczego światło jest wykrywane poza oczami?

Gdy wiemy, że fotoreceptory można znaleźć w całym ciele zwierząt, co one właściwie robią? Oczywiście, ich funkcja zależy częściowo od ich lokalizacji.

Generalnie, regulują one zachowania związane ze światłem, które istnieją poniżej poziomu świadomości i które nie wymagają niezwykle precyzyjnej wiedzy na temat lokalizacji źródła światła w przestrzeni lub czasie. Typowe funkcje obejmują czas dziennych cykli czujności, snu i czuwania, nastroju, temperatury ciała i wielu innych wewnętrznych cykli, które są zsynchronizowane ze zmianami dnia i nocy.

Zegary biologiczne, które utrzymują regularne cykle fizjologiczne – i powodują dyskomfort jet lag – prawie zawsze są kontrolowane przez te fotoreceptory. Detektory te są również ważne dla otwierania i zamykania źrenicy oka, aby pomóc dostosować się do zmiennych poziomów światła. Fotoreceptory skóry, takie jak te w rybach lub ośmiornicy często kontrolują zmiany kolorów i wzorów.

W niektórych zwierzętach, mają one całkiem inne, i raczej niesamowite, zadanie – zapewnienie magnetorecepcji, zdolność do wykrywania pola magnetycznego Ziemi. Zdolność ta opiera się na kryptochromach, które najwyraźniej leżą u podstaw mechanizmów orientacji magnetycznej u zwierząt tak różnych jak ptaki i karaluchy.

Ludzie też mają niewizualne zdolności fotoreceptorów

Z chwilą odkrycia światłoczułych komórek siatkówki oprócz pręcików i czopków w siatkówkach ssaków, stało się oczywiste, że ludzie też muszą używać niewizualnych ścieżek do kontroli zachowania i funkcji.

Wielkość źrenicy zmienia się w zależności od zmieniającego się światła, nawet u funkcjonalnie niewidomych ludzi. Wspólne badania brytyjsko-amerykańskie, opublikowane w 2007 roku, wykazały, że pacjenci, którzy stracili wszystkie pręciki i czopki z powodu zaburzeń genetycznych, mogą nadal mieć reagujące na światło rytmy dobowe i źrenice. Jeden z pacjentów mógł nawet zgłosić uczucie „jasności”, gdy pokazano mu niebieskie światło, które powinno stymulować fotoreceptory siatkówki niebędące pręcikami, niebędące czopkami.

Ostatnie badania przeprowadzone na gryzoniach na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa przez grupę Samera Hattara sugerują, że niewizualne ścieżki mogą regulować nastrój, zdolność uczenia się, a nawet wrażliwość świadomego widzenia.

Wreszcie, nieoczekiwane ostatnie odkrycie w badaniach prowadzonych przez Solomona Snydera i Dana Berkowitza, również na Johns Hopkins University, wykazało, że naczynia krwionośne u myszy zawierają melanopsynę, opsynę używaną w niewizualnej fotorecepcji siatkówki. Odkryli oni, że to światłoczułe białko może regulować kurczenie i rozkurczanie się naczyń krwionośnych. Ponieważ ludzie prawdopodobnie mają ten sam system, może to częściowo wyjaśnić wzrost liczby ataków serca w godzinach porannych, które są być może związane ze zmianami ciśnienia krwi występującymi w tym czasie.

Wiemy, że niewizualne wykrywanie światła jest wszechobecne i znaczące w życiu zwierząt. Przyszłe badania będą kontynuowane, aby rozplątać jego wpływ na ludzkie zdrowie i dobre samopoczucie.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany na The Conversation. Przeczytaj oryginalny artykuł.