Jak przystało na zwierzęta przystosowane do lotu, oczy ptaków, nie tylko orłów czy sokołów, pod wieloma względami przewyższają ludzkie. Potrafią widzieć w ultrafiolecie, co pozwala dostrzegać niedostrzegalne dla nas wzory na piórach innych osobników. Szybciej zmieniają ostrość widzenia, co jest ważne na przykład w locie nurkującym. Potrafią rozróżnić nawet 160 obrazów na sekundę (ludzie tylko 15–20).

Ptaki drapieżne widzą nawet 8 razy lepiej niż ludzie, a mająca oczy po bokach głowy słonka amerykańska obserwuje pełną panoramę - 360 stopni w poziomie oraz 180 w pionie. Wydawałoby się, że tak bystre oczy wymagają ogromnego dopływu krwi, która dostarcza im tlenu. Tkanka nerwowa zazwyczaj szybko obumiera bez tlenu. Tymczasem - chociaż siatkówki ptaków to jedne z najbardziej energochłonnych tkanek w świecie zwierząt - potrafią stale funkcjonować bez tlenu.

Jak wykazał po ośmiu latach badań międzynarodowy zespół, wewnętrzne części siatkówki ptaków funkcjonują w warunkach przewlekłego niedotlenienia, opierając się na beztlenowej produkcji energii.

Większość zwierząt zaopatruje tkankę nerwową w tlen dzięki gęstej sieci drobnych naczyń krwionośnych. Siatkówka, wysoce wyspecjalizowane przedłużenie mózgu, zużywa więcej energii niż jakakolwiek inna tkanka w organizmie.

Tymczasem siatkówki ptaków nie mają naczyń krwionośnych w samej tkance siatkówki. Uważa się, że ta cecha poprawia ostrość wzroku, ponieważ naczynia krwionośne rozpraszają światło na drodze do fotoreceptora. To, jak siatkówka radzi sobie bez dopływu krwi, pozostawało jednak tajemnicą.

„Zgodnie z całą naszą wiedzą o fizjologii tkanka ta nie powinna być w stanie funkcjonować” – powiedział biolog Christian Damsgaard, pierwszy autor badania i profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie w Aarhus (Dania).

Wcześniej dominującym wyjaśnieniem tego paradoksu była hipoteza, że obecna w ciele szklistym ptasiego oka struktura, zwana grzebieniem oka, dostarcza tlen do siatkówki. Struktura ta jest znana od XVII wieku, ale jej dokładna funkcja pozostawała przedmiotem spekulacji.

Dotychczas nikomu nie udawało się bezpośrednio zmierzyć poziomu tlenu w siatkówce ptaków w normalnych warunkach fizjologicznych. „Zrobienie tego jest technicznie niezwykle trudne” – wskazał starszy autor, Jens Randel Nyengaard, profesor Uniwersytetu w Aarhus. Aby to zrobić, należy utrzymywać zwierzę w stabilnych, normalnych warunkach fizjologicznych, wykonując jednocześnie bardzo precyzyjne pomiary.

W roku 2020 zespołowi udało się to osiągnąć dzięki współpracy z ekspertką anestezjologii weterynaryjnej i adiunktem Catherine Williams, również z Uniwersytetu w Aarhus. Wyniki były nieoczekiwane: grzebień siatkówki w ogóle nie dostarcza tlenu do siatkówki. Wewnętrzne warstwy siatkówki są stale niedotlenienione, a około połowa tkanki siatkówki nie otrzymuje tlenu.

Aby wyjaśnić, jak siatkówka może funkcjonować w tak trudnych warunkach, naukowcy rozpoczęli wieloletnie badanie łączące fizjologię, biologię molekularną, obrazowanie i analizę obliczeniową. Postępy były powolne, częściowo ze względu na skalę i złożoność danych – a częściowo z powodu pandemii COVID-19, która ograniczyła dostęp do laboratoriów.

Wykorzystując transkryptomikę przestrzenną, zespół zmapował ekspresję tysięcy genów w cienkich warstwach siatkówki, co pozwoliło zobaczyć, gdzie aktywne są określone szlaki metaboliczne. Transkryptomika przestrzenna to technologia, która mapuje ekspresję genów bezpośrednio w nienaruszonych tkankach, ujawniając, które geny i gdzie są aktywne.

„Nie analizowaliśmy jednego czy dwóch genów, ale 5000 do 10 000 genów jednocześnie, każdy zmapowany w precyzyjnej lokalizacji” – wskazał Damsgaard. Był to rodzaj „molekularnego GPS”. Jak się okazało, geny zaangażowane w glikolizę beztlenową (rozkład cukru bez tlenu) były wysoce aktywne w pozbawionych tlenu wewnętrznych warstwach siatkówki.

Problem w tym, że w przeliczeniu na cząsteczkę cukru glikoliza beztlenowa wytwarza około piętnaście razy mniej energii niż metabolizm oparty na tlenie.

Wykorzystując radioaktywnie znakowany cukier i autoradiografię, naukowcy wykazali, że siatkówka ptaków pobiera glukozę znacznie szybciej niż reszta mózgu. Okazało się, że za jej dostępność odpowiada tajemniczy grzebień w ciele szklistym.

Ponowna analiza danych pozwoliła badaczom zidentyfikować wysoką ekspresję transporterów glukozy i mleczanu w grzebieniu. Odkryli, że struktura ta dostarcza duże ilości cukru do siatkówki i usuwa mleczan, produkt uboczny metabolizmu beztlenowego, z powrotem do krwiobiegu.

„Grzebień nie jest dostawcą tlenu. To system transportu paliwa i odpadów” – podkreślił Nyengaard.

Naukowcy zauważają, że ograniczenie obecności tlenu i naczyń krwionośnych w siatkówce prawdopodobnie zapewnia przewagę optyczną, poprawiając ostrość widzenia. Dowody ewolucyjne sugerują, że cecha ta pojawiła się u dinozaurów, prowadząc do powstania współczesnych ptaków.

Chociaż badanie ma charakter czysto podstawowy, autorzy wskazują, że wyniki mogą mieć szersze implikacje.

„W stanach takich jak udar ludzkie tkanki cierpią, ponieważ zmniejszone jest dostarczanie tlenu, a produkty przemiany materii kumulują się” – wskazał Nyengaard. W siatkówce ptaków można zaobserwować system, który radzi sobie z niedoborem tlenu w zupełnie inny sposób.

„Natura rozwiązała u ptaków problem fizjologiczny, który powoduje choroby u ludzi. Mamy nadzieję, że zrozumienie tego ewolucyjnego rozwiązania zainspiruje nowe sposoby myślenia o tym, dlaczego tkanki zawodzą w wyniku niedotlenienia w przebiegu chorób i jak można je leczyć” – dodał.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ bar/