مولکولی که چشم‌های انسان را از حیوانات متمایز می‌کند

دیدن دنیا از چشم حیوانات مختلف بسیار سخت است، اما یک مطالعه جدید با استفاده از شبکیه رشد یافته انسان در آزمایشگاه نشان می‌دهد که حتی بین انسان‌های مختلف نیز بینایی بسیار متنوع است.

این ممکن است به چگونگی شکل‌گیری سلول‌های مخروطی قرمز و سبز در شبکیه چشم ما مربوط باشد. سلول‌های مخروطی سلول‌های حساس به نور در چشم مهره‌داران هستند که پاسخ‌های ترکیبی آنها به طول موج‌های مختلف، دید رنگی را امکان‌پذیر می‌کند.

به نقل از اس‌ای، سلول‌های مخروطی یا مخروط‌ها یکی از سه نوع سلول گیرنده نور شبکیه چشم پستانداران از جمله چشم انسان هستند. وظیفه این سلول‌ها برخلاف سلول‌های استوانه‌ای که در نور کم کارایی بهتری دارند، فراهم کردن دید رنگی و عملکرد بهتر در نور نسبتاً درخشان است. این یاخته‌ها به صورت فشرده‌ای در گوده مرکزی(منطقه‌ای به قطر 0٫3 میلی‌متر خالی از سلول میله‌ای با مخروط‌هایی با ضخامت بسیار کم و قرارگیری فشرده که با پیشروی به سمت محدوده شبکیه چشم به سرعت از تعدادشان کاسته می‌شود) قرار گرفته‌اند.

تقریباً 6 تا 7 میلیون مخروط در چشم یک انسان وجود دارند و با پیشروی در جهت لکه زرد به شدت متمرکز می‌شوند. این تقریب در سال 1935 کشف شد.

مخروط‌ها نسبت به سلول‌های استوانه‌ای شبکیه چشم که از دید در شرایط کم‌نور پشتیبانی می‌کنند، کمتر به روشنایی حساس‌اند، اما ادراک رنگ را ممکن می‌کنند. همچنین مخروط‌ها قادر به درک جزئیات بهتر و تغییرات سریع تصاویر هستند، زیرا نسبت به استوانه‌ای‌ها پاسخگویی و واکنش سریع‌تری به محرک‌ها دارند.

هر مخروط به ترتیب به موج نور قابل رویت با طول ‌موج کوتاه، طول ‌موج متوسط و طول ‌موج بلند حساس‌ است. از آن‌جایی که چشم انسان سه نوع مخروط با طول‌موج‌های متفاوت دارد که هر یک منحنی واکنش متفاوتی دارند و به تغییر رنگ‌ها با طول ‌موج متفاوت واکنش نشان می‌دهند، بنابراین چشم انسان دید سه رنگی دارد. کور رنگی می‌تواند این امر را تغییر دهد. گزارش‌هایی از افرادی با تعداد مخروط‌های 4 یا بیشتر نیز تأیید شده ‌است که دید چهار رنگی داشته‌اند. برای این افراد، سه رنگ‌دانه مسئول شناسایی روشنایی به سبب جهش ژنتیکی در ترکیب شیمیایی مشابه، متفاوت بوده ‌است. افراد متفاوت، مخروط‌هایی با حساسیت رنگ متفاوتی دارند. ضمن این که تخریب سلول‌های مخروطی به سبب بیماری، موجب کور رنگی می‌شود.

گفتنی است که انسان و برخی از نخستی‌سانان نزدیک به ما، تنها پستانداران شناخته شده‌ای هستند که می‌توانند رنگ قرمز و همچنین سبز و آبی را ببینند.

سایر حیوانات مانند بسیاری از پرندگان و برخی حشرات نیز می‌توانند رنگ قرمز را ببینند. نوع بینایی یک حیوان، ارتباط نزدیکی با تکامل آن در کنار گیاهانی دارد که میوه و گل تولید می‌کنند. این توانایی، به عنوان مثال برای مشاهده یک سیب قرمزِ رسیده در میان انبوهی از تراکم گیاهی سبز بسیار مفید بوده است.

یکی دیگر از پستانداران دور که توانایی دیدن رنگ قرمز را دارد، صاریغ شهدخوار با نام علمی Tarsipes rostratus است. این گرده‌افشان کیسه‌دار استرالیایی در نمونه‌ای شگفت‌انگیز از تکامل همگرا، توانایی پرنده‌مانندی برای کاوش در شهد گل‌ها و گیاهان دارد.

مخروط‌های قرمز و سبز ما اساساً یکسان هستند و ترکیب شیمیایی کمی متفاوت برای تعیین رنگی که تشخیص می‌دهند، دارند. پروتئینی به نام اُپسین(opsin) در دو نسخه متفاوت، حساس به قرمز یا حساس به سبز وجود دارد و دستورالعمل‌های ژنتیکی آنها در کنار هم روی کروموزوم X قرار دارند. بنابراین برای آنها بسیار آسان است که در یک نوترکیب قرار بگیرند و در نتیجه کور رنگی مادرزادی قرمز-سبز ایجاد شود.

اکنون تحقیقات جدید در مورد اینکه آن اجزای کلیدی تعیین کننده بینایی در واقع چه هستند، شفافیت ارائه می‌دهد. اجزایی که تنها 4 درصد تفاوت بین ژن‌هایی هستند که این پروتئین‌ها را کد می‌کنند.

ما قبلاً فکر می‌کردیم که تصمیم و تشخیص مخروط‌ها اساساً تصادفی است، اگرچه مطالعات جدیدتر به نقش سطح تیروئید اشاره کرده‌اند.

اکنون تیمی از دانشگاه جانز هاپکینز و دانشگاه واشنگتن کشف کرده‌اند که سطوح یک مولکول مشتق شده از ویتامین ای(A) به نام اسید رتینوئیک(retinoic acid) حداقل در مورد شبکیه‌های رشد یافته در آزمایشگاه باعث ایجاد یا شکستن نسبت‌های مخروط قرمز-سبز می‌شود.

رابرت جانستون، زیست‌شناس رشدی از دانشگاه جانز هاپکینز می‌گوید: این ارگانوئیدهای شبکیه برای اولین بار به ما اجازه دادند که این ویژگی خاص انسان را مطالعه کنیم. این یک سوال بزرگ در مورد این است که چه چیزی ما را انسان می‌کند و چه چیزی ما را متفاوت می‌کند.

در آزمایشگاه، شبکیه‌هایی که طی رشد اولیه(60 روز اول) در معرض اسید رتینوئیک بیشتری قرار گرفتند، پس از 200 روز نسبت‌های بالاتری از مخروط‌های سبز رنگ در سراسر ارگانوئید شدند، در حالی که مخروط‌های نابالغی که در معرض سطوح پایین این اسید قرار گرفتند، بعداً به مخروط‌های قرمز تبدیل شدند.

زمان نیز مهم است. اگر اسید رتینوئیک پس از 130 روز معرفی می‌شد، تأثیر آن به همان صورت بود که گویی اصلاً اضافه نشده است. این نشان می‌دهد که این اسید، نوع مخروط را زود تعیین می‌کند و نمی‌تواند باعث شود که مخروط‌های قرمز به مخروط‌های سبز تبدیل شوند.

تمام شبکیه‌های رشد یافته در آزمایشگاه دارای تراکم مخروط مشابهی بودند که به تیم اجازه داد تاثیر عامل مرگ سلول مخروطی را که بر نسبت قرمز به سبز تأثیر می‌گذارد، رد کند.

سارا هادینیاک، زیست‌شناس رشدی در دانشگاه جانز هاپکینز و از نویسندگان این مطالعه می‌گوید یافته‌های ما پیامدهایی برای کشف دقیق نحوه اثرگذاری اسید رتینوئیک بر روی ژن‌ها دارد.

پژوهشگران برای درک اینکه این اسید چقدر می‌تواند بینایی انسان را تحت تاثیر قرار دهد، شبکیه چشم 738 مرد بالغ را که هیچ نشانه‌ای از اختلال دید رنگی نداشتند، مورد مطالعه قرار دادند. آنها از تغییرات طبیعی نسبت مخروط قرمز/سبز در این گروه شگفت زده شدند.

هادینیاک می‌گوید: مشاهده چگونگی تغییر نسبت‌های مخروط سبز و قرمز در انسان یکی از شگفت‌انگیزترین یافته‌های این پژوهش جدید بود.

مشخص نیست که این تنوع چگونه می‌تواند بدون تأثیر بر تغییرات بینایی رخ دهد. همانطور که جانستون می‌گوید، اگر این نوع سلول‌ها طول بازوی انسان را تعیین می‌کردند، نسبت‌های مختلف، طول بازوهای متفاوتی را ایجاد می‌کردند.

این پژوهش در مجله PLOS Biology منتشر شده است.