Reklama
  • Poniedziałek, 13 marca (08:00)

    Jak natura wynalazła wzrok?

Oko to jeden z najbardziej fascynujących narządów. Jak powstało? Co się w nim zmieniło w toku ewolucji? Dlaczego wykształciło się tak wiele jego typów? Naukowcy przeprowadzili setki eksperymentów, by odpowiedzieć na te pytania. Teraz idą o krok dalej – i zastanawiają się, czy to genialne dzieło natury można odwzorować, by przywrócić wzrok niewidomym?

Johnowi Kennedy’emu z Uniwersytetu w Toronto nie mieści się to w głowie. Turek przemawiający podczas mediolańskiego kongresu neurologów jest albo szarlatanem, albo chodzącym fenomenem, podważającym prawa ewolucji. Pięćdziesięciopięcioletni Esref Armagan twierdzi, że choć od urodzenia jest niewidomy, potrafi namalować obrazy stanowiące dokładne odzwierciedlenie rzeczywistości – o idealnych proporcjach i z zachowaniem właściwej perspektywy.

Reklama

W trakcie przerwy Kanadyjczyk poddaje Armagana testowi. Wręcza mu do ręki figurkę w kształcie domu. Mężczyzna, zbadawszy przedmiot palcami, zaczyna rysować. Na kartce pojawia się nie tylko kwadrat (czyli ściana przednia) i trójkąt (dach), lecz… trójwymiarowa bryła. Gdy Kennedy prosi, by niewidomy w myślach odwrócił budynek, tak jakby stał po jego drugiej stronie, ten bez problemu wykonuje zadanie. – On ma nadzwyczaj precyzyjną wyobraźnię przestrzenną – przyznaje w końcu niedowiarek.

Przypadek Esrefa Armagana otworzył oczy neurobiologom na całym świecie. Profesor Alvaro Pascual-Leone z Uniwersytetu Harvarda sprawdził, jakie procesy zachodzą w mózgu mężczyzny w trakcie malowania, badając go spektroskopem magnetycznego rezonansu jądrowego. To, co zobaczył, przeszło jego najśmielsze oczekiwania: okazało się, że gdy niewidomy rysuje, w jego mózgu aktywne są nie tylko obszary odpowiedzialne za uczucia dotykowe palców, lecz także te, które u zdrowego człowieka sterują widzeniem.

– Wszystkie badania sugerują, że Armagan postrzega palcami i rysując, naprawdę widzi. Nigdy nie oglądał swoich obrazów oczami, ale mózgiem – już tak – komentuje amerykański neurobiolog. Czy te oczy mogą kłamać? Zmysł wzroku dostarcza naszej „centrali” 85% informacji o otoczeniu. Rozróżniamy 160 kolorów ze spektrum światła widzialnego, które możemy łączyć ze sobą w prawie 600 tysięcy wrażeń barwnych. Lecz czy ważąca zaledwie 8 gramów gałka oczna jest całkowicie niezawodna? Na ile zgodne z rzeczywistością jest to, co widzimy?

– Nasz obraz świata składa się głównie ze wspomnień i przypuszczeń, a nie z tego, czego naprawdę doświadczamy – mówi profesor Jeffrey Macklis. Historia „widzącego niewidomego”, jak z czasem zaczęto określać Esrefa Armagana, sprawiła, że naukowcy rozpoczęli serię dalszych badań, na podstawie których jednoznacznie stwierdzili, iż mózg może przyjmować informacje wizualne również wtedy, gdy ośrodek wzroku nie działa.

Specjalistom z Uniwersytetu Rice’a w Houston udało się na chwilę zablokować u badanych korę wzrokową, czyli część naszej „centrali” umożliwiającą postrzeganie. Uczestników eksperymentu postawiono przed ekranem, na którym pojawiały się linie oraz kolorowe punkty, lecz zgodnie stwierdzili, że niczego nie widzą. Co prawda ich gałki oczne rejestrowały symbole, ale przy „wyłączonym” ośrodku wzroku nie byli w stanie nic zobaczyć.

Gdy badanych poproszono o odgadnięcie barwy punktów lub kierunku linii, zdarzyło się coś niezwykłego: w 75% przypadków idealnie określali położenie kreski, a w kwestii kolorów trafność odpowiedzi wynosiła aż 81%! – Nawet gdy kora wzrokowa była zablokowana, mózg nieświadomie rejestrował informacje – tłumaczy Tony Ro, neurolog kierujący badaniami.

Od kiedy ­naukowcy skonfrontowali się z tak zadziwiającymi przypadkami, nurtuje ich przede wszystkim jedno zagadnienie: czy niewidomi malujący realistyczne obrazy i osoby chwilowo oślepione, a mimo to rozpoznające kolory i punkty, to niedoskonałość natury? A może mamy do czynienia z jej genialnym posunięciem, stanowiącym kolejny stopień rozwoju człowieka? Jedno jest pewne: choć specjaliści sądzili, że odkryli tajemnicę widzenia, musieli przyznać, iż najwyraźniej wciąż niewiele wiedzą o oku.

– Dlatego powinniśmy wrócić do początków i zbadać, jak na przestrzeni milionów lat rozwijał się zmysł wzroku. Dopiero wtedy będziemy mogli wysnuć teorię dotyczącą dalszych planów ewolucji co do naszych oczu – mówi profesor Dan Nilsson.

Jak długo powstawał wzrok, który znamy?

W zaciemnionym wnętrzu laboratorium Uniwersytetu w Lundzie gorliwy naukowiec zabiera się do pracy. Zamierza stworzyć komputerową symulację ewolucji oka. Nilsson wyjaśnia: – Wszystkie dotychczasowe odkrycia wskazują na to, że na początku istota żywa dysponowała płaską warstwą komórek światłoczułych. Z wierzchu była ona przezroczysta, a przechodzące przez nią światło padało na fotoreceptory.

W jaki sposób ze stosunkowo nieskomplikowanego narządu wykształciło się fascynujące oko współczesnego człowieka? Punktem wyjścia dla rozwiązania tej zagadki było stworzenie wirtualnego modelu praoka, a następnie odtworzenie przemian, jakie zaszły w nim w ciągu milionów lat. Szwedzki badacz dokonał tego, stosując się do ściśle określonych zasad.

Nieliczne i niewielkie mutacje zmieniały na przykład grubość przezroczystej tkanki lub zakrzywienie warstwy komórek światłoczułych. Choć takie przeobrażenia zachodziły zupełnie przypadkowo, to jeśli któreś z nich poprawiło jakość obrazu na fotoreceptorach choćby o jeden procent, było powtarzane przez następną generację.

Wynik? Zadziwiający: wystarczyło pokonać niecałe dwa tysiące kroków rozwojowych, by z warstwy prymitywnej tkanki wykształciła się wypukła soczewka określana mianem "rybiego oka". Jak długo wedle tej symulacji trwała ewolucja wyjściowego modelu oczu prawdziwych ryb?

Właściwie krótko, bo tylko 346 tysięcy pokoleń, czyli teoretycznie setki tysięcy bądź kilka milionów lat. W porównaniu do historii świata to przecież drobnostka.

Na tropie praoka

Już Karolowi Darwinowi trudno było uwierzyć, że konstrukcja o takim stopniu skomplikowania jak ludzkie oko może być efektem spontanicznej mutacji i selekcji. Ale Darwin - choć stworzył teorię ewolucji - nie poznał jej mechanizmów tak dobrze, jak my. Zakładał tylko istnienie bardzo podstawowych zasad, które dzisiejsza biologia i genetyka rozwoju znacznie zmodyfikowały.

- Nie wiemy, jaki był wspólny przodek wszystkich zwierząt posiadają- cych oczy - przyznaje Walter Gehring z Uniwersytetu w Bazylei. - Przypuszczamy jednak, że żył on w morzu około miliarda lat temu i miał skórę wrażliwą na światło - dodaje. Naskórek części rozgwiazd czy meduz do dzisiaj jest wyposażony w komórki światłoczułe, które - prawdopodobnie - są porównywalne z komórkami praoka.

Szczególnie dużo komórek tego typu posiada na przykład dżdżownica, niedysponująca standardowymi oczami i odbierająca światło całą powierzchnią ciała. W poszukiwanie początków zmysłu wzroku zaangażował się niedawno zespół naukowców z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej (European Molecular Biology Laboratory, EMBL).

W trakcie badań natknął się on na żywą skamielinę: Platynereis dumerilii. Ta osiągająca długość 2-4 centymetrów szczeciniasta pierścienica morska nie zmieniła się zbytnio przez ostatnich 600 milionów lat.

- Okazuje się, że komórki fotoreceptorowe, które obecnie występują w gałkach ocznych ludzi, pojawiły się już u najdawniejszych organizmów - wyjaśnia Jochen Wittbrodt z EMBL. - Dane wskazują na to, że protoplaści kręgowców i bezkręgowców posiadali komórki prekursorskie dla naszych oczu - dodaje. Oznacza to, że oczy wszystkich gatunków ziemskiej fauny mają ten sam prototyp. Co więcej, jest on bardzo, bardzo stary.

- Na początku musiało istnieć oko, którego szukamy: pierwotny narząd wzroku - mówi Gehring. Naukowcowi udało się zidentyfikować gen pod nazwą Pax-6, który w identycznej formie występuje u wielu gatunków - od myszy po człowieka. Niezależnie od tego, ile zwierząt badał, w każ- dym przypadku oczy były związane z genem Pax-6. Najgłębsze korzenie pierwowzoru oka rozumianego jako układ komórki światłoczułej i  pigmentowej są więc prawdopodobnie takie same dla wszystkich stworzeń.

- Wyniki analiz pozwalają wysnuć tylko jeden wniosek: musi istnieć wspólne ewolucyjne dziedzictwo - stwierdza Gehring. Odkrycia ostatnich lat pomogły ekspertom dowiedzieć się więcej o tajemnicy widzenia - i wykorzystać te informacje do własnych celów. Jakich? Popchnięcia ewolucji we "właściwym" kierunku.

Kto oszuka ślepe przeznaczenie?

Martyna Jaczyńska cierpi na retinopatię barwnikową (retinitis pigmentosa). Na tę chorobę dziedziczną w Polsce skarży się około 10 tysięcy osób. Powoduje ona powolne (i postępujące od zewnątrz do wewnątrz) obumieranie światłoczułych komórek siatkówki - pręcików i czopków.

- Zaczęło się od czegoś w rodzaju kurzej ślepoty, potem pojawiła się nadwrażliwość na światło i zaburzenia w postrzeganiu kolorów - tak 34-latka opisuje początki swojego schorzenia. W miarę upływu czasu jej pole widzenia stopniowo się zawężało, aż do tzw. widzenia lunetowego.

Ostatnim etapem choroby, która do niedawna uchodziła za nieuleczalną, jest całkowita utrata wzroku. Jednak dziś dotkniętym nią pacjentom nadzieję niesie neurotechnologia. Naukowcy z  Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) w Akwizgranie razem z badaczami z Fraunhofer Institut w Duisburgu stworzyli pierwszą na świecie protezę, którą można w całości wszczepić w oko.

Ma ona przywracać wzrok pacjentom, którzy - jak się wydawało - bezpowrotnie go utracili. Jak działa ten zamiennik? W  siatkówce umieszcza się mikrochip zastępujący uszkodzone komórki zmysłowe, który za pomocą impulsów elektrycznych stymuluje nerw wzrokowy - zwykle nienaruszony u chorych na retinopatię barwnikową. Obrazów otoczenia dostarcza kamera zewnętrzna, wbudowana w  ramki specjalnych okularów.

Połączony z nimi minikomputer noszony przy pasku przetwarza dane i oblicza, z jaką mocą należy stymulować impulsami poszczególne komórki fotoreceptorowe, by w mózgu powstał obraz rejestrowany przez kamerę. Komputer kieruje informacje z powrotem do okularów - te w drodze indukcji bezprzewodowo transmitują je do implantu w oku.

Za pomocą 25 elektrod proteza wysyła odpowiednio dozowane bodźce elektryczne do nerwu wzrokowego, który z kolei przekazuje je do naszej "centrali", gdzie powstaje obraz. Zdumiewające wyniki testów dowodzą, że pozytywne efekty przynosił już pojedynczy bodziec elektryczny - wszyscy pacjenci opowiadali, że dostrzegali punkty i plamy światła.

- Wyniki są przełomowe - mówi profesor Wilfried Mokwa z RWTH. W kolejnym etapie chce wbudować w mikrochip nie 25, lecz kilkaset elektrod. Mokwa i jego koledzy po fachu mają nadzieję, że z pomocą udoskonalonego implantu umożliwią osobom z upośledzeniem wzroku orientację w przestrzeni.

Dzięki specjalnym okularom i mikrochipowi mogłyby one np. rozpoznawać przeszkody, takie jak schody. Naukowiec już teraz nie kryje dumy: - Wygląda na to, że udało nam się oszukać biologię i przywrócić niewidomym wzrok.

Zobacz również

  • Nie lubisz okularów, a używanie szkieł kontaktowych cię męczy? Sprawdź, jakie są najnowocześniejsze metody korygowania wad wzroku. więcej

Twój komentarz może być pierwszy

Zapoznaj się z Regulaminem
Wypełnienie pól oznaczonych * jest obowiązkowe.