Näkemistä ilman silmiä

Uudet havainnot osoittavat, että eliöiden kyky nähdä ja aistia valoa on paljon varhaisempi ja yleisempi ominaisuus, kuin on aikaisemmin luultu.

Biologit ovat jo kauan tienneet, että jotkut eliöt kykenevät aistimaan valoa ilman silmiä. Ja jotkut silmillä varustetut eliöt käyttävät muita kehon osia näkemiseen. Valon havaitsemisen mekanismi ilman silmiä on kuitenkin usein jäänyt mysteeriksi. Viime vuosina uusien tutkimusmenetelmien avulla (esim genomin sekvenssianalyysit) biologit ovat löytäneet valoherkkiä soluja ja proteiineja yllättävistä paikoista ja he ovat havainneet, että monet sokeiksi luullut eliöt ovatkin näkeviä. Esimerkiksi merisiilin jalkojen päät ovat täynnä valoherkkiä proteiineja, jolloin koko otus käytännössä muodostaa moniosaisen silmän. Samalla tavoin pienen meduusan kaltaiset polyypit kykenevät aistimaan valoa polttavien ulokkeidensa avulla. Vaikka sukkulamadot elävät pimeässä maan alla, niin jotkut niiden neuroneista aistivat valoa ja auttavat otusta havaitsemaan vaikkapa saalistajia.

Diaesitys eläimistä, jotka näkevät ilman silmiä.

Nämä uudet havainnot ovat muuttamassa biologien käsitystä näkökyvyn evoluutiosta ja mekanismista. Evoluutiobiologian kaksi tärkeää kysymystä ovat milloin valoherkät proteiinit ensikerran kehittyivät ja millä tavalla eläimet niitä alunperin käyttivät. Lisäksi on pohdittava sitä kehittyikö monimutkainen silmä useita kertoja eri eliöryhmissä vai periytyikö yksi alkukantainen silmätyyppi myöhemmille eliöille, jotka "parantelivat" sitä aikojen saatossa. Vaikka evoluutiobiologialla ei ole varmoja vastauksia näihin kysymyksiin, niin se ainakin on selvää, että näkökyky ja valon aistimiskyky ovat paljon varhaisempia ja laajemmalle levinneitä ominaisuuksia kuin on aiemmin oletettu. Seuraavassa on kuusi esimerkkiä eläimistä, joiden silmätön näkökyky on yllättänyt tutkijat.


MERISIILIT

Merisiilit reagoivat valoon monin tavoin: ne voivat vaihta väriä, liikuttaa piikkejään tai liikkua valoa kohti tai siitä poispäin. Tämän tutkijat ovat tienneet jo kauan, mutta he eivät tienneet kuinka merisiilit aistivat valoa, koska millään merisiililajilla ei ole silmiä. Heidän paras arvauksensa oli merisiilin kehoa peittävä hermoverkosto, joka olisi osittain ollut valoherkkä. Merkittävä tosiasia on kuitenkin se, että merisiilin näköjärjestelmä on paljon hienostuneempi kuin kukaan osasi odottaakaan.

Kun tutkijat sekvenssoivat purppuramerisiilin (Strongylocentrotus purpuratus) genomin, he yllättyivät löytäessään useita geenejä, jotka ovat tärkeitä selkärankaisten retinan kehitykselle. Maria Arnone (Stazione Zoologica Anton Dohrn)  ja hänen kollegansa paljastivat, että merisiilin putkijalkojen päät ovat täynnä opsiinia, samaa valoherkkää proteeinia, johon meidän omien silmien toiminta perustuu. Kun tietyn aallonpituinen valo osuu opsiiniproteiiniin, se muuttaa muotoaan, käynnistäen kemiallisen kaskadin, joka avaa soluseinämän ionikanavat. Eliölajista riippuen tämä molekulaarinen tapahtuma saa aikaan heijastusilmiön välittäen hermostolle viestin näköhavainnosta. Merisiilin sadat jalat voivat toimia moniosaisena silmänä, antaen sille yhtä hyvän näkökyvyn kuin hevosenkenkäravulla tai helmiveneellä, joilla on oikeat silmät.


POLYYPIT

Polyypit näyttävät aivan voikukan siemeniltä: niillä on hoikka putkimainen keho, jonka päässä on ohuita ulokkeita. Usein ne elävät meriruohoon kiinnittyneinä saalistaen ohi uivia pieniä selkärangattomia eliöitä. Merisiilien tavoin myös silmättömät polyypit reagoivat valoon. Kun tutkijat sekvenssoivat erään polyypin (Hydra magnipapillata) genomin, he löysivät runsaasti opsiini geenejä.

Hiljattain tutkijat havaitsivat, että polyypeilla on opsiinia ulokkeissaan, erityisesti polttiaissoluissaan (cnidocytes). David Plachetzki kollegoineen Kalifornian yliopistosta osoitti, että polyypit reagoivat kosketukseen, kemikaaleihin ja valon muutoksiin. Polyypit pistävät suuremmalla voimalla himmeässä valossa kuin kirkkaassa valossa. Ne näyttävät tulkitsevan valon himmenemisen saaliin tai pedon läheisyydeksi.

Koska polyypit ovat kehitysopin mukaan ovat hyvin varhaisia eliöitä, niiden kyky aistia valoa osoittaa, että tämän ominaisuuden paljon olettua vanhemmaksi eliökunnan historiassa.


KALMARIT,  MUSTEKALAT JA MERITURSAAT

Meritursailla on suuret silmät ja aivojen osat, jotka prosessoivat näköhavaintoja. Ne ovat kuitenkin värisokeita eli ne eivät kykyne silmillään havaitsemaan värejä. Siitä huolimatta nämä otukset ovat naamioitumisen mestareita muuttaen väriään ja ihonsa muotoa ympäristöön sulautuvaksi. Myös toinen naamiomestari, mustekala, on värisokea.

Roger Hanlon kollegoineen (Marine Biological Laboratory, Woods Hole, Mass.) havaitsivat hiljattain, että mustekalat aktiivisesti ilmentävät opsiinigeenejä ihossaan, erityisesti lonkeroissaan ja vatsassaan. Desmond Ramirez Kalifornian yliopistosta Santa Barbarassa löysi opsiinigeenejä meritursaan ihosta. Kalmareiden, mustekalojen ja meritursaiden iho on myös täynnä kromatoforeja - elastisia pigmenttipusseja - joiden laajeneminen ja kutistuminen auttaa niitä vaihtamaan väriä. Hanlon kollegoineen ehdottaa, että opsiini toimii yhdessä kromatoforien, iridoforien ja leukoforien kanssa vielä tuntemattomalla tavalla tunnistaen ja jäljitellen ympäristön väriä.


C. ELEGANS

Caenorhabditis elegans on pieni sukkulamato, joka elää pimeässä maan alla. Niinpä tiedemiehet ovat otaksuneet, että niillä ei olisi kykyä reagoida valoon. Kun Michiganin yliopiston tutkija X.Z. Shawn Xu kollegoineen kohdisti kirkkaan valon sukkulamadon päähän, se pysähtyi ja alkoi peruuttaa. Kun tutkijat sitten osoittivat valon peruuttavan madon peräpäähän, se alkoi taas kulkea eteenpäin. Tuhoamalla (siis tieteen nimissä) useita neuroneita sukkulamadon päästä, Xu kollegoineen pystyi tunnistamaan neljä solua, joita ilman C. elegans ei kykene aistimaan valoa. Tutkijoiden mukaan valon välttäminen on sopeutuma, joka auttaa sukkulamatoja pysymään maan sisällä poissa epäedullisesta ympäristöstä.

Millainen valintapaine sai pimeässä elävän madon alunperin "kehittämään" valonaistimiskyvyn? Onko valon aistiminen ainoa keino, jonka avulla sukkulamato tietää olevansa maan sisällä?

Myöhemmin Xu ryhmineen osoitti, että sukkulamatojen valoherkkien neuronien toimintaan ei liity opsiini. Ne käyttävät LITE-1-nimistä proteiinia, joka toimii selkärangattomilla makureseptorina. Toinen tutkijaryhmä havaitsi, että banaanikärpästen toukissa on valoherkkiä neuroneita, joiden proteiini on samankaltainen kuin LITE-1. Toukkienkin on edullista pysytellä varjossa piilossa saalistajilta.


HAARAHÄNTÄPERHOSET

Japanin keltaiset haarahäntäperhoset voivat nähdä peräpäällään. Tarkemmin sanottuna niillä on kaksi valoherkkää neuronia mahapuolella sukupuolielimien vieressä. Kentaro Arikawa (The Graduate University for Advanced Studies, Japani) havaitsi, että nämä valoreseptorit ovat elintärkeitä perhosen lisääntymiselle. Tavallisesti perhosten pariutumisyrityksistä onnistuu 66%. Kun Arikawa ryhmineen tuhosi koiraiden valoreseptorit lämmöllä tai peitti ne mascaralla, niin vain 23-28% pariutumisyrityksistä onnistui.

Toisessa tutkimuksessa Arikawa poisti tai maalasi raskaana olevien naaraiden valoreseptorit ja päästi ne sitten häkkiin, jossa oli sitruunapuu. Perhoset munivat puun lehdille ja vain 14 % muninnoista onnistui, kun normaali onnistumisprosentti on 81. Yhdessä nämä havainnot osoittavat, että koiraat tarvitsevat valoreptoreitaan onnistuneeseen pariutumiseen ja että naarat tarvitsevat niitä asettaakseen munanasettimensa oikeaan kohtaan lehdelle, jotta muninta onnistuu.

Näitä ominaisuuksia on vaikea selittää vähitellen kehittyneiksi, koska ne ovat oleellisen tärkeitä lajin lisääntymisen kannalta.


SKORPIONIT

Skorpionit vaistomaisesti välttelevät valoa. Päiväväsaikaan ne piileskelevät kivien alla  tai muissa varjopaikoissa. Öisin ne lähtevät saalistamaan hyönteisiä. Skorpioneilla on silmät, joilla ne voivat havaita valon ja ehkä tunnistaa hahmoja. Douglas Gaffin Oklahoman yliopistosta havaitsi, että skorpionit näyttävät aistivan valoa myös ihollaan. Tämä ominaisuus saattaa auttaa niitä löytämään suojaa päivisin.


Mitä koiramaisia havaintoja voimme tehdä tästä kaikesta:

1) Yllätys, yllätys: Alkukantaisina pidetyt eliöt sisältävätkin teknisesti erittäin hienostuneita toimintoja. "Alkukantaisessakin" eliössä on geenejä, joita on uskottu olevan vain "kehittyneemmissä" lajeissa.
 
2) Se, että joku havaitun maailmankaikkeuden ominaisuus osoittautuukin tiedon lisääntyessä paljon "varhaisemmaksi" kuin on aikaisemmin luultu ei ole mitään uutta kehitysopin kehitystä seuraaville. Se on pikemminkin sääntö kuin poikkeus!


Lähde:

http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=seeing-without-eyes