Środowisko

Narząd doskonały

Numer 12/2019
Oczy ośmiornic nie mają plamki ślepej, a źrenice zawsze ustawione są poziomo. Podobnie jak u ludzi w soczewce tych zwierząt występują krystaliny. Oczy ośmiornic nie mają plamki ślepej, a źrenice zawsze ustawione są poziomo. Podobnie jak u ludzi w soczewce tych zwierząt występują krystaliny. serenaforesti / Shutterstock
Ludzkie oko to perfekcyjnie zaprojektowana i udoskonalana przez miliony lat ewolucji struktura. Jego doskonała współpraca z mózgiem umożliwia widzenie i analizę otaczającego nas świata.
Schemat kolonii toczka i pojedynczego osobnika.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Schemat kolonii toczka i pojedynczego osobnika.
Fotografia dna oka. Widoczne tarcza nerwu wzrokowego (jasny punkt po lewej) i naczynia krwionośne.Nikom nik Sunsopa/Shutterstock Fotografia dna oka. Widoczne tarcza nerwu wzrokowego (jasny punkt po lewej) i naczynia krwionośne.
Schemat budowy oka przegrzebka.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Schemat budowy oka przegrzebka.
Męty ciała szklistego postrzegane są przez chorego jako nieregularne nitki i pasma.Martina Badini/Shutterstock Męty ciała szklistego postrzegane są przez chorego jako nieregularne nitki i pasma.
Witrektomia to zabieg operacyjny, w czasie którego usuwa się np. męty ciała szklistego. Innym sposobem na ich pozbycie się jest laserowa witreoliza (zabieg nieinwazyjny).saginbay/Shutterstock Witrektomia to zabieg operacyjny, w czasie którego usuwa się np. męty ciała szklistego. Innym sposobem na ich pozbycie się jest laserowa witreoliza (zabieg nieinwazyjny).
Czworook (Anableps anableps).feathercollector/Shutterstock Czworook (Anableps anableps).

Przyglądając się przebiegowi procesu ewolucji, można stwierdzić, że zmysł wzroku był niezwykle cenny już bardzo dawno temu. Umiejętność orientowania się w otaczającym środowisku zwiększała szansę na znalezienie pożywienia i przetrwanie. I tak różne formy narządu wzroku pojawiały się niezależnie nawet u daleko spokrewnionych organizmów. W związku z tym badacze wciąż nie potrafią jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie, jak i kiedy powstało oko. Utworzenie tak skomplikowanego organu z pojedynczej wyjściowej komórki światłoczułej budziło zachwyt i konsternację u samego Karola Darwina. Ścieżki ewolucji oka są kręte i rozbieżne, czego przykładem mogą być oczy kręgowca i ośmiornicy. Wyglądają podobnie, jednak jedynie na poziomie makroskopowym. Ponieważ ewolucja tych narządów przebiegała niezależnymi ścieżkami, molekularne podłoże ich działania znacznie się różni. W ciągu milionów lat oczy przystosowały się do potrzeb konkretnych organizmów, dlatego ich funkcje i budowa są tak odmienne.

Według jednej z teorii za powstanie zmysłu wzroku odpowiada zjawisko endosymbiozy. Część badaczy uważa, że podobnie jak mitochondria i chloroplasty komórki światłoczułe bądź pojedyncze geny związane z ich funkcjonowaniem zostały „połknięte” przez komórki innego organizmu i zaadaptowane do jego potrzeb. Teoria ta pozostaje jednak nadal w fazie debaty naukowej.

Biologiczna kamera

Wzrok niewątpliwie należy do najważniejszych zmysłów człowieka. Oczy dostarczają nam aż 80% informacji o otoczeniu, w którym się znajdujemy, a w analizę tych danych zaangażowanych jest 10% komórek nerwowych w mózgu. Ludzka gałka oczna przypomina kształtem kulę o średnicy 24 mm. Waży ok. 7 g. Za jej ruchy odpowiada aż sześć mięśni znajdujących się w jej okolicy. Z zewnątrz budują ją dwie błony, mianowicie twardówka i rogówka, które chronią to, co znajduje się głębiej.

Za rogówką leży tęczówka. Ta ostatnia nie tylko nadaje oczom kolor, ale reguluje też ilość wpadającego światła, zmieniając rozmiar źrenicy. W obrębie gałki ocznej znajduje się soczewka, która odpowiada za zjawisko akomodacji, umożliwiające ostre widzenie przedmiotów znajdujących się w różnej odległości od oka. Do błony środkowej oprócz tęczówki należy też naczyniówka – jej nazwa pochodzi od olbrzymiej ilości znajdujących się tu naczyń krwionośnych, które zaopatrują w substancje odżywcze najważniejszą część oka, czyli siatkówkę. To właśnie w siatkówce zlokalizowane są wyspecjalizowane neurony pełniące funkcje fotoreceptorów – czopki i pręciki. Obecna tu tzw. plamka żółta stanowi skupisko czopków, natomiast plamka ślepa nie ma ich wcale. To sprawia, że pozostaje niewrażliwa na światło. W obrębie plamki ślepej nerw wzrokowy opuszcza gałkę oczną. Działa on jak kabel łączący oko z mózgiem i umożliwiający rejestrację oraz analizę widzianego obrazu.

Plamka u toczka

Choć ciężko w to uwierzyć, początki narządu wzroku zaczynają się od plamki. Co istotne, plamki nie byle jakiej, lecz światłoczułej. Toczek (Volvox) to niewielki jednokomórkowy organizm zaliczany do zielenic, występujący w słodkowodnych zbiornikach na całym świecie. Posiada m.in. dwie wici i chloroplast. Co ciekawe, toczek nie żyje w pojedynkę, ale tworzy kuliste kolonie zwane cenobiami, osiągające rozmiary od 2 do 3 mm. W takiej strukturze może znajdować się ponad 50 tys. osobników.

Toczek zdobywa substancje odżywcze, przeprowadzając proces fotosyntezy, którego nieodzownym komponentem jest światło. Dzięki skoordynowanym ruchom wici kolonia przemieszcza się w jego kierunku. Jednak aby tego dokonać, nie wystarczy jedynie prosty narząd ruchu. Toczek w jakiś sposób musi określić, gdzie znajduje się źródło światła. W obrazie mikroskopowym pojedynczego osobnika możemy dostrzec niewielki czerwony punkt. To tzw. plamka oczna. Charakterystyczny kolor nadają mu chromoproteiny – białka pochłaniające promieniowanie elektromagnetyczne. Najważniejszą rolę odgrywają jednak białka fotoreceptorowe. Co ważne, budową są zbliżone do tych występujących w oczach kręgowców. Struktury te zamieniają sygnał świetlny w chemiczny. W kolonii panuje specyficzny podział obowiązków. Po jednej stronie znajdują się osobniki, których głównym zadaniem jest rozmnażanie, a po drugiej – te posiadające większe od pozostałych plamki oczne, które odpowiadają za sterowanie ruchem kolonii poprzez zjawisko fototaksji. Ponieważ toczek odżywia się poprzez fotosyntezę, światło jest mu niezbędne do przeżycia. Dlatego kiedy plamka oczna zostaje zastymulowana przez światło, kolonia przemieszcza się w jego kierunku.

Gdy światła jest wystarczająco dużo, do wici trafia sygnał o zatrzymaniu ruchu kolonii.

W kwestii reakcji na światło toczka i ludzi łączy wiele. Podobieństwo dotyczy białek fotoreceptorowych obu gatunków, a także budowy genów kontrolujących rozwój plamki ocznej i oka. Bardziej zaawansowana wersja plamki ocznej występuje u płazińców. Ma wklęsły kształt, dzięki czemu stworzeniu łatwiej jest określić kierunek padającego na nią światła. Mimo wszystko dzieli nas zbyt wielka przepaść ewolucyjna, aby stwierdzić, że początki ludzkiego wzroku sięgają tych mikroskopijnych organizmów. Toczek należy do glonów, które są odrębną linią na filogenetycznym drzewie życia, niespokrewnioną bezpośrednio z człowiekiem. Natura zaskoczyła nas również w przypadku muchówek. Otóż najnowsze analizy liczących 54 mln lat szczątków przedstawicieli rodziny koziułkowatych wykazały, że w naczyniówce owadzich oczu występuje taki sam pigment jak u ludzi – melanina. Takie odkrycia wprowadzają naukowców w zakłopotanie i utrudniają badania nad ewolucją wzroku, który najprawdopodobniej pojawił się niezależnie u niespokrewnionych organizmów.

Trop pierwszego oka, zbliżonego budową i funkcją do ludzkiego, pojawia się w skamielinach z eksplozji kambryjskiej, liczących ok. 540 mln lat. Kluczową rolę w ewolucji oka odegrało bowiem pojawienie się soczewki. Z biegiem czasu plamki oczne wpuklały się do wnętrza ciała, co pozwalało uzyskać lepszy obraz, ale też dokładną informację o kierunku padających promieni światła. Powierzchnia plamki, pozostająca w kontakcie ze środowiskiem zewnętrznym, pokryła się komórkami zawierającymi białka zwane krystalinami. W ten sposób powstała przejrzysta struktura, która stała się pierwowzorem soczewki. Co ciekawe, krystaliny obecne są w oku przez całe życie, dlatego wykorzystuje się je do oceny wieku zmarłego.

Antyczna rodopsyna

Kluczowe w budowie oka są umiejscowione na siatkówce komórki reagujące na światło (fotoreceptory). Należą do nich wspomniane wcześniej pręciki oraz czopki. Te pierwsze odpowiadają za widzenie czarno-białe w warunkach słabego oświetlenia. Ich liczba na siatkówce ludzkiego oka szacowana jest na 100 mln. Czopki, choć występuje ich prawie o połowę mniej, umożliwiają widzenie barwne przy dobrym oświetleniu. Co ciekawe, w oku znajdziemy aż trzy rodzaje tych komórek – każdy z nich odbiera światło o innej długości fali. Zarówno czopki, jak i pręciki reagują na światło dzięki wyspecjalizowanym białkom – opsynom. Te, aby działać, muszą przyłączyć cząsteczkę retinalu (forma witaminy A). Retinal trafia do organizmu wraz ze spożywanym mięsem. Organizm może też go wyprodukować sam po dostarczeniu związków prekursorowych, którymi są występujące w roślinach karotenoidy. W pręcikach połączenie retinalu i opsyny określa się mianem rodopsyny (tzw. purpura wzrokowa). Jej odpowiednikiem w czopkach są jodopsyny. Co ciekawe, rodzaj czopka zależy od typu występującej w nim opsyny – każda jest czuła na światło w innym zakresie spektralnym (absorbują fale o długości 450 nm, 530 nm i 570 nm), dzięki czemu możliwe jest widzenie niebieskiego, zielonego i czerwonego.

Wpadające do oka fotony trafiają na soczewkę, a następnie absorbowane są przez rodopsynę, która zmienia swoją strukturę, co inicjuje powstanie impulsu nerwowego. Ten dociera do mózgu interpretującego uzyskane dane jako widzenie zmierzchowe (w odcieniach szarości). Zmian struktury przestrzennej purpury wzrokowej możemy doświadczyć na własnej skórze. Gdy przebywamy w półmroku, a nasze oko zostanie porażone intensywnym światłem, przez chwilę tracimy zdolność widzenia. Wszystko przez to, że aktywowana światłem rodopsyna nie zdążyła wrócić do swojej pierwotnej struktury. Czasem potrzeba nawet 20 min, aby znów mogła reagować na docierające do niej fotony. Warto wspomnieć, że rodopsyna jest niezwykle uniwersalna – występuje w pręcikach większości kręgowców żyjących na ziemi, a także zwierząt dalece z nimi spokrewnionych. Na przykład wspólny przodek ustonogich (rodzaj skorupiaków morskich) i człowieka żył jakieś 540 mln lat temu. Mimo upływu tego czasu zmysł wzroku u obu gatunków bazuje na cząsteczkach rodopsyny.

Latające muszki

Ciało szkliste, stanowiące aż 80% gałki ocznej, ma galaretowatą przejrzystą strukturę i składa się głównie z wody (99%). Pozostały procent przypada na kwas hialuronowy i kolagen. Szacuje się, że objętość ciała szklistego w ludzkim oku wynosi 4 ml. Jego główną funkcją jest utrzymywanie kształtu gałki oraz odpowiednie załamywanie promieni świetlnych przed ich dotarciem na siatkówkę.

Co ciekawe, czasem ciało szkliste płata figle, objawiające się nietypowymi wrażeniami wzrokowymi, określanymi jako latające muszki. Zjawisko to w języku medycznym znane jest jako męty ciała szklistego. Męty to pojawiające się w polu widzenia niewielkie plamki, zmieniające się kształty, czasem przypominające wijące się robaczki. Często pojawiają się podczas obserwacji dużych i jasnych obiektów, takich jak śnieg, niebo lub monitor komputera. Te dziwne twory pochodzą z głębi naszego oka. Jak wspomniano wcześniej, ciało szkliste jest przejrzyste, więc przechodzące przez nie promienie światła się nie załamują. Męty to unoszące się w nim produkty przemiany materii, m.in. agregaty białek, ale też fragmenty tkanki i krwinki czerwone, które zaburzają przenikanie owych promieni, sprawiając, że na siatkówce pojawia się cień. Cień ten obserwujemy właśnie pod postacią latających muszek. Widzimy więc coś, czego tak naprawdę nie ma.

Męty zazwyczaj nie są niebezpieczne, ale zdarza się, że za ich występowaniem stoi rozwijający się w oku proces chorobowy. Gdy ich nadmierne pojawianie się stwarza pacjentowi spory dyskomfort, usuwa się je np. za pomocą zabiegu witreolizy. Polega on na wykorzystaniu wiązki lasera, która powoduje destrukcję mętu. Okuliści są w stanie zaobserwować męty w ludzkim oku za pomocą oftalmoskopu – przyrządu do badania oka.

Oko może płatać nam także inne figle. Wpatrując się w niebieskie tło, możemy czasem zaobserwować wędrujące kropki światła. Jest to tzw. efekt Scheerera i nie odpowiada za niego padający na siatkówkę cień, lecz światło. Otóż siatkówka otoczona jest wieloma naczyniami krwionośnymi. Czasem zdarza się, że przepływająca przez nie biała krwinka z powodu swojego sporego rozmiaru spowalnia przepływ krwi. Za krwinką znajdują się zablokowane krwinki czerwone, a przed nią – osocze pozbawione komórek. Przejrzysty płyn przepuszcza światło, które trafia na siatkówkę, a my obserwujemy je w postaci ruchomych plamek.

Oczy i bakterie

Jakiś czas temu naukę zrewolucjonizowała informacja o ilości mikrobów żyjących zarówno wewnątrz ludzkiego ciała, jak i na jego powierzchni. Okazało się, że proporcja komórek ludzkich do bakteryjnych może wynieść nawet 1:1, a nasz mikrobiom może ważyć 0,2 kg. Najwięcej bakterii występuje w jelicie grubym (około 1011/ml zawartości) oraz na skórze (około 1011/ m2). Wiele badań skupia się obecnie na zrozumieniu zależności pomiędzy bakteriami występującymi w jelitach, nosie, ustach i na skórze a funkcjonowaniem ludzkiego organizmu. Łącząca ludzi i mikroby relacja, zapieczętowana setkami lat ewolucji, decyduje o przebiegu szeregu procesów biologicznych, a tym samym o zdrowiu i chorobie. Organizm toleruje „swoje” bakterie, eliminując jedynie niepożądanych intruzów.

Jeśli chodzi o oko, to przez długi czas uważano je za sterylny narząd. Obecny w łzach lizozym wykazuje bowiem silne działanie przeciwbakteryjne, a występowanie bakterii w gałce ocznej wiąże się z rozwojem procesu chorobowego. Najnowsze badania obalają jednak ten dogmat i rzucają nowe światło na fizjologię tego narządu. Badacze z University of Miami udowodnili, że oko również posiada swój naturalny mikrobiom, którego skład zależy m.in. od wieku człowieka, stanu jego zdrowia, pochodzenia etnicznego, a nawet od tego, czy ktoś stosuje soczewki kontaktowe. Przeprowadzone badania wykazały, że bakterie zasiedlające ludzkie oko należą głównie do rodzajów: Diphtheroids, paciorkowców, gronkowców i propionibakterii. Szczególną uwagę badaczy przykuła bakteria Corynebacterium mastitidis, która okazała się obrońcą ludzkiego oka. Otóż mikrob ten chroni rogówkę podczas inwazji bakterii chorobotwórczych. Daje sygnał komórkom układu odpornościowego, które zaczynają produkcję białek mających unieszkodliwić najeźdźcę. Biorąc pod uwagę dobroczynną rolę bakterii, należy zastanowić się, czy warto stosować antybiotyk na zaczerwienione piekące oczy, za które w największym stopniu odpowiadają infekcje wirusowe i alergie.

Oko bioniczne

Obecnie wiele badań skupia się na opracowaniu urządzenia, które spełniałoby funkcje ludzkiego oka, przywracając wzrok niewidomym. Biorąc pod uwagę niezwykle skomplikowaną budowę tego organu, jest to nie lada wyzwanie. Dopuszczoną obecnie do sprzedaży protezę udało się opracować firmie Second Sight. Stworzone przez nią bioniczne oko Argus II to elektroniczny zamiennik uszkodzonej siatkówki. Urządzenie składa się z części zewnętrznej, czyli kamery przymocowanej do okularów, oraz wszczepianego do oka, konkretnie do siatkówki, systemu elektrod. Obrazy rejestrowane przez kamerę przekształcane są w impulsy elektryczne, które trafiają do siatkówki poprzez elektrody. Impulsy pobudzają obecne w niej komórki, a te przekazują sygnał do mózgu. Dzięki protezie niewidomi pacjenci są w stanie zobaczyć proste i duże obiekty, takie jak drzwi czy okna. Zdarzało się też, że część z nich była w stanie odczytać duże nagłówki gazet. Koszt protezy to ok. 100 tys. dolarów. Urządzenie jest dostępne w sprzedaży w krajach takich jak Niemcy, Francja, Włochy, Wielka Brytania i Stany Zjednoczone.

Katarzyna Kornicka-Garbowska

***

Ptasia rzeczywistość

W przeciwieństwie do ludzi ptaki posiadają cztery rodzaje czopków. Wszystko dzięki dodatkowemu rodzajowi opsyny, który umożliwia widzenie ultrafioletu. Postrzegany przez ptaki świat jest więc o wiele bardziej kolorowy niż ludzki. Badacze sugerują, że owa zdolność pomaga samicom w wyborze partnera, bo o atrakcyjności osobnika decyduje to, w jaki sposób jego pióra odbijają ultrafiolet.

***

Daltonizm

To wada wzroku uwarunkowana genetycznie i uniemożliwiająca odróżnienie koloru czerwonego od zielonego. U osób z daltonizmem nastąpiła mutacja opsyny, odpowiedzialnej za widzenie koloru zielonego. Gen zlokalizowany jest na chromosomie płciowym X, dlatego daltonizm znacznie częściej dotyka mężczyzn. Kobiety mają dwa takie chromosomy, a więc i dwie kopie tego genu, co zmniejsza ryzyko zachorowania.

***

Ślepota zmierzchowa

Chorobę tę potocznie nazywamy kurzą ślepotą, bo dotknięte nią osoby, podobnie jak wspomniane zwierzęta, mają problemy z widzeniem po zmroku. U jej podłoża leży upośledzenie czynności pręcików, które może zostać wywołane m.in. niedoborem witaminy A. Pochodna tej witaminy jest niezbędna do utworzenia znajdującego się w pręcikach kompleksu rodopsyny, umożliwiającego widzenie w ciemności.

***

Oczy zwierciadlane

Stare porzekadło głosi, że oczy są zwierciadłem duszy. U przegrzebka zwyczajnego oczy (ok. 200 sztuk) zaopatrzone są w organiczne zwierciadła zbudowane z kryształków guaniny. Przegrzebek ma też dwie siatkówki. Na pierwszą pada światło skupione na soczewce, a na drugą – odbite od nietypowego lustra. Specyficzna budowa oka pomaga przegrzebkowi w unikaniu drapieżników.

***

Oczy świecące w ciemności

Nocą oczy kotów, psów i sów mienią się w charakterystyczny sposób, nadając ich właścicielom przerażający wygląd. Wszystko za sprawą tzw. błony odblaskowej (łac. tapetum lucidum) umiejscowionej za siatkówką. Budują ją komórki zawierające kryształy guaniny, które odbijają światło, kierując je raz jeszcze do pręcików. Dzięki temu zwierzęta te widzą dobrze nawet w warunkach słabego oświetlenia.

***

Piąta opsyna

Komórki zwojowe, podobnie jak czopki i pręciki, umiejscowione są w siatkówce. Zaburzenie ich funkcji wiąże się m.in. z wystąpieniem jaskry. Co ciekawe, znajduje się w nich piąty rodzaj opsyny – melanopsyna. Nie bierze on udziału w procesie widzenia, lecz w regulacji rytmu dobowego – jego ilość w komórce zmienia się w zależności od pory dnia.

***

Oczy czworooka

Czworook (Anableps anableps) to morska ryba zamieszkująca okolice północno-wschodniego wybrzeża Ameryki Południowej. Swoją nazwę zawdzięcza charakterystycznej budowie oka. Posiada ono dwie rogówki i źrenice oraz podzieloną na dwie części siatkówkę. Dzięki temu ryba może jednocześnie obserwować, co dzieje się nad wodą i pod nią.

01.12.2019 Numer 12/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną