8 Minutės
Įsivaizduokite, kad stovi 500 metrų aukštyje ir pastebite menkiausią judesį žemėje. Aštri, neišsenkanti rega – tai kasdienybė daugeliui plėšriųjų paukščių. Keista, bet vidinė tinklainė, palaikanti tokią aštrumą paukščiams, funkcionuoja be to, nuo ko dauguma kitų stuburinių nervinio audinio priklauso: kraujagyslių. Nė vienos kapiliarų tinklo grandies, jokių tiesioginių deguonies tiekimo kanalų. Kaip jie palaiko nervines ląsteles veiksnias beveik anoksiškoje aplinkoje? Atsakymas slypi keistoje, kelių šimtmečių senumo struktūroje, vadinamoje pecten oculi arba pektinu akyje, ir metaboliniame kompromise, kuris verčia iš naujo pergalvoti įprastus prielaidas apie stuburinių neurono jautrumą deguonies stokai.
Žinduoliams, įskaitant žmones, tinklainės neuronai remiasi raudonųjų kraujo kūnelių pernešamu deguonimi, kuris leidžia efektyviai paversti gliukozę ATP. Be deguonies šios ląstelės greitai neišsilaiko. Paukščiai, priešingai, išvystė kitokį išsidėstymą: jų tinklainė yra avaskulinė, t. y. neturi intraretinalinių kraujagyslių. Deguonis turi difunduoti nuo paviršiaus, o didžiajai daliai vidinio tinklainės audinio toks kelias yra nepakankamas. Vis dėlto audinys išlieka gyvybingas ir, dar daugiau, palaiko išskirtinę vizualinę gebą.
Trumpi sakiniai padeda suprasti, bet idėjos lieka sudėtingos. Paukščių tinklainės iš esmės veikia anaerobinės glikolizės sąskaita – biocheminio kelio, kuris iš gliukozės be deguonies išgauna santykinai nedaug energijos. Tai neefektyvus mechanizmas: jis gamina pieno rūgštį (laktatą), o laktatas kaupdamasis gali būti toksiškas. Tad tikrasis mįslės centras nebuvo kraujagyslių trūkumas – daugelis audinių toleruoja trumpalaikes anoksines epizodus – bet kaip paukščių tinklainė išvengia toksiško medžiagų kaupimosi ir tuo pačiu užtikrina didelį gliukozės pralaidumą, reikalingą greitai ir informatyviai organo veiklai.
Užuomina visada buvo pecten oculi, šukės pavidalo, tankiai vaskuliarizuotas skersinis dantratis, esantis šalia tinklainės. Atrastas XVII amžiuje, pecten ilgai buvo anatomų diskusijų objektas – keistenybė be aiškios funkcijos. Nauji eksperimentai, kuriuos vadovavo Aarhus universiteto mokslininkai, pateikia įtikinamą paaiškinimą: pecten veikia kaip didele talpa pasižymintis transporteris, pernešantis gliukozę į akį ir tuo pačiu šalindamas metabolinius šlakus, pvz., laktatą, toli nuo jautrių tinklainės ląstelių.
Pecten oculi yra esminė paukščio akies dalis.
Mokslinis fonas ir eksperimento detalės
Tikrinti šią idėją tyrėjai stebėjo gyvus zebra finčius (Taeniopygia guttata) ir derino fiziologinius matavimus – deguonies lygį, metabolitų koncentracijas – su genų raiškos profiliais tinklainės audinyje. Eksperimentinė metodika apėmė kelių metodų kombinaciją: lokalias deguonies elektrodo matavimus, masių spektrometriją metabolitams, šiuolaikinį RNA sekoskaitą (RNA-seq) genų ekspresijai ir imunohistocheminius žymėjimus transporteriams bei enzimams. Rezultatai buvo ryškūs. Vidinė tinklainė neparodė apčiuopiamo deguonies suvartojimo; genų parašai ir metabolitų profilis atitiko audinį, kurį daugiausia maitina anaerobinė glikolizė. Tačiau tinklainė parodė neįprastą ištvermę anoksijai – būklei, kuri būtų mirtina panašiam žinduolio nerviniam audiniui.
Tokia tolerancija turi kainą. Akių metaboliniai poreikiai yra dideli: tyrėjų analizė rodo, kad tinklainė ima apie 2,5 karto daugiau gliukozės nei paukščio smegenys (palyginimui). Pecten tankus kraujagyslių tiekimas ir strateginė anatomine vieta leidžia jam veikti kaip biologiniam siurbliui: jis tiekią gliukozę dideliais kiekiais į stiklakūvį ar per skaidulinius kanalus į tinklainę ir kartu šalina laktatą, kol šio koncentracija nepasiekia žalingo lygio. Iš esmės pecten atskiria deguonies tiekimą nuo maisto medžiagų tiekimo, leidžiant tinklainei likti avaskulinei ir optiškai skaidresnei, nei ji būtų, jei būtų praturtinta kraujagyslėmis, kurios sklaido šviesą.
Eksperimentų detalizavimas parodė specifinius molekulinius prisitaikymus: padidėjusi gliukozės transporterių (GLUT šeimos) raiška pecteno gretimuose audiniuose, taip pat aktyvesni monokarbonato ir laktato transporterių (pvz., MCT šeima) požymiai, kurie logiškai sutaptų su efektyviu gliukozės įsisavinimu ir laktato eksportu. Be to, fermentų, susijusių su gliolize (pvz., heksokinazės, PFK), ekspresija tinklainės sluoksniuose buvo stipresnė nei oksidacinio fosforilinimo genų. Tokie molekuliniai duomenys atitinka histocheminius ir metabolominius pastebėjimus.
Fiziologiniai mechanizmai ir evoliucinės priežastys
Kodėl paukščiai vystė tokį sistemą? Yra keletas įtikinamų adaptacinių pranašumų. Avaskulinė tinklainė sumažina optinį iškraipymą ir šviesos sklaidą, kurios atsiranda intraretinalinių kraujagyslių buvimo atveju – tai ypač svarbu, kai reikia pastebėti mažą grobį iš didelio atstumo. Be to, struktūra, nepriklausanti nuo aplinkinio deguonies, būtų naudinga aukštaaukštėms migracijoms, kai atmosferinis deguonies kiekis sumažėja. Pažvelkime į trumpakojinį gyvačiaplokštį erelį (Circaetus gallicus): jo tinklainės storis viršija difuzijos ribas, kurios tinka žinduoliams, bet jis vis tiek pasižymi išskirtiniu vizualiniu aštrumu. Pecten gali būti vienas iš evoliucinių raktų, leidusių tokiems prisitaikymams atsirasti.
Be to, pecten kaip glikemijos ir šlakų reguliatoriaus funkcija gali suteikti greitą vietinį metabolinį „kanalą“, kurį gali reguliuoti kraujagyslių tonusas, perfuzijos pokyčiai ar endokrininiai signalai. Tokiu būdu paukščio akys gali dinamiškai keisti gliukozės tiekimą reaguodamos į vizualinį poreikį – pvz., į medžioklės intensyvumą ar ilgas skridimo valandas – nepriklausomai nuo sisteminio deguonies tiekimo būklės.
Tuo pačiu verta paminėti optinę perspektyvą: be tinklainėje esančių kraujagyslių, optinės bangos susilpnėjimas yra mažesnis, o šviesa, pasiekianti fotoreceptorius, yra labiau kohérentinė ir mažiau išsklaidyta. Tai prisideda prie erelio ar jūros vanago gebėjimo fiksuoti labai mažus ir duomenimis praturtintus vaizdo signalus iš didelio atstumo.
Tarpdalykinė analizė ir ekologinės sąsajos
Tyrimas buvo plataus profilio: jame sujungta fiziologija, molekulinė biologija ir lyginamoji anatomija, ir tai atspindi beveik dešimtmetį trunkančius tyrinėjimus. Tiriant keletą paukščių rūšių, mokslininkai siejo tinklainės architektūros skirtumus su ekologiniais gyvenimo būdais – sklendimo plėšrūnai, žemės maisto ieškotojai ir tolimųjų migracijų vykdytojai turi skirtingus vizualinius poreikius, o tai atsispindi pecteno dydyje, vaskuliarizacijos tankume ir molekuliniuose profiliuose.
Pavyzdžiui, sklendimo plėšrūnai, tokie kaip vanagai ar jūros ereliai, rodo didesnį pecteno plėtrą ir ryškesnį gliukozės tiekimo mechanizmų išvystymą nei kai kurie smulkūs žemės paukščiai. Kita vertus, naktiniams ar silpnai šviesai pritaikytiems paukščiams pecten struktūra gali būti skirtinga, nes jų tinklainės metaboliniai prioritetai keičiasi pagal fotoreceptorinius tipus (pvz., dominuoja garsieji stulpeliai ar strypeliai), o mitochondrinis aktyvumas gali būti didesnis kituose audiniuose.
Eksperto įžvalga
„Tai išaiškina ilgai trunkančią mįslę aviarinėje biologijoje,“ sako dr. Mira Koll, regos mokslininkė Išsamesnės lyginamosios neurobiologijos institute. „Anksčiau spėliojome, kad pecten gali reguliuoti intraokulinį slėgį arba tarnauti vien kaip struktūrinis elementas. Įrodymas, kad jis veikia kaip metabolinis konvejeris, padeda paaiškinti tiek išskirtinį paukščių akių optinį skaidrumą, tiek jų atsparumą mažo deguonies sąlygoms.“
Dr. Koll pabrėžia tarpdisciplininio požiūrio vertę: „Tik susiejus fiziologinius matavimus su molekuliniais ženklais ir elgsenos stebėjimais galėjome sukurti vientisą hipotezę apie pecteno funkciją.“ Tokios ekspertų įžvalgos prideda patikimumo ir paaiškina, kodėl šis klausimas viliojo biologus daugelį metų.
Transliacinė reikšmė ir medicininės implikacijos
Už paukščių biologijos ribų šie atradimai turi vertingų transliacinių perspektyvų. Supratimas, kaip nervinis audinys ištveria ilgalaikę anoksiją ir tuo pačiu efektyviai eksportuoja toksiškus metabolitus, gali įkvėpti naujas strategijas smegenų audinio apsaugai insulto metu arba geresnėms organų išsaugojimo priemonėms transplantacijoms. Mechanizmai, kuriuos naudoja paukščiai anoksiniam stresui toleruoti, gali nurodyti molekulinius tikslus arba tiekimo-skalavimo sistemas, imituojančias pecteno dvigubą funkciją – maitinimą ir valymą.
Pavyzdžiui, farmakologinės priemonės, skatinančios efektyvesnį laktato pašalinimą arba imituojančios pecteno kraujagyslinį tiekimą gliukozei vietose, kur deguonis ribotas, galėtų padėti išsaugoti neuronų gyvybingumą per laikotarpius, kai kraujotaka sutrinka. Inžineriniai sprendimai – biomimetinės membranos ar siurbliai, skirti tiekti maisto medžiagas ir šalinti šlakus audinių šaldymui ar perfuzijai – yra intriguojančios translacinės idėjos, kurios gali būti išbandytos tolesniuose tyrimuose.
Tolesni tyrimai ir atviri klausimai
Yra dar daug ką ištirti. Mokslininkai dabar siekia žemėlapiškai nustatyti, kaip tiksliai gliukozė pernešama iš kraujo per pecten į stiklakūvį ir kaip laktatas yra pernešamas nuo tinklainės atgal į kraujotaką. Tai apima transporterių lokalizaciją, jų kinetikos tyrimus ir mikrodifuzijos matavimus stiklakūvyje bei tarp audinių sluoksnių. Taip pat bus tiriama, ar farmakologinės ar inžinerinės intervencijos gali imituoti šios sistemos aspektus žinduolių modeliuose, pvz., pelėse ar porūšiuose, siekiant įvertinti galimą translacinį poveikį.
Kiti atviri klausimai apima regulavimo mechanizmus: kaip pecten dinamiškai moduliuoja savo tiekimo ir išlaisvinimo funkcijas skirtingu paros metu ar skirtingo vizualinio aktyvumo metu; taip pat, kokia yra imuninė pecteno aplinkos reikšmė ir ar jis dalyvauja vietinėje uždegiminėje ar antioksidacinėje atsako reguliacijoje. Galiausiai, plačiau pažvelgus į filogenetinę perspektyvą, verta ištirti, kaip pecten evoliucija susijusi su konkrečiais ekologiniais spaudimais ir kaip šis sprendimas buvo pasikartojantis arba modifikuotas skirtingose paukščių kladose.
Dabar pecten oculi išeina iš vien anatominių keistenybių sąrašo ir patenka į funkcionalią svarbą – akies „slaptosios vamzdynų“ sistemos atskleidžiamos viena eksperimentine eilute po kitos.
Smalsumo lieka. Bet kitą kartą, kai pamatysite erelį, įsikibusį į menką judantį tašką apačioje, prisiminkite: kai kurie elegantiškiausi biologiniai sprendimai yra nematomi plika akimi.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą