В редких случаях светочувствительные фоторецепторные клетки глаза ошибаются и посылают в мозг сигналы, как если бы они поглощали фотоны, хотя на самом деле ничего подобного не происходит. В течение многих лет этот феномен оставался загадкой. Ученые-неврологи Школы медицины Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University School of Medicine) установили, что молекулы поглощающего свет пигмента фоторецепторов могут активироваться не только световой, но и тепловой энергией, поднимая такие ложные тревоги.

«Фотон, единица света, это просто энергия, которая при захвате молекулой пигмента родопсина в большинстве случаев приводит к изменению формы молекулы, что, в свою очередь, вызывает передачу клеткой электрического сигнала в головной мозг, чтобы информировать его о поглощении света», – объясняет профессор неврологии Университета Джонса Хопкинса доктор философии Кин-Вай Яу (King-Wai Yau).

Однако родопсин можно активировать не только световой, но и другими типами энергии, такими как тепло, что вызывает в мозге ложную тревогу.

«Такие ошибочные сигналы ставят под угрозу нашу способность видеть предметы в безлунную ночь. Поэтому мы попытались понять, как именно пигмент иногда оказывается обманутым», – продолжает ученый.

Тепловая энергия есть везде, где температура выше абсолютного нуля. Вопрос заключается в следующем: как много тепловой энергии нужно для активации родопсина и передачи сигнала даже без возбуждения светом?

В течение 30 лет предполагалось, что в активации молекулы родопсина теплом задействован механизм, отличный от активации ее светом: теоретические расчеты показывали, что необходимая для этого тепловая энергия была значительно меньше световой.

В основном, эта теория основывается на пигменте родопсине. Но родопсин отвечает за сумеречное зрение и не является единственным пигментом глаза. В фоторецепторах-колбочках, чувствительных к красному, зеленому и синему свету, присутствуют другие пигменты. Они необходимы для цветового зрения и функционируют при ярком свете. Хотя ученым вполне по силам измерить мощность ложных электросигналов родопсина, исходящих всего лишь из одной родопсинсодержащей клетки, проведение подобных измерений на других пигментах – давняя проблема. Дело в том, что электрический сигнал отдельной молекулы колбочкового пигмента настолько слаб, что фактически неизмерим. Поэтому для измерения ложных сигналов, исходящих из пигментов колбочек, исследователи должны были найти новый способ.

Создав методами биоинженерии палочковидную клетку сетчатки с человеческим красным колбочковым пигментом, который обычно обнаруживается только в колбочках, группа доктора Яу смогла измерить электрический выходной сигнал отдельной клетки и рассчитать ложные сигналы этого пигмента, воспользовавшись преимуществом более мощных и обнаружимых сигналов, генерируемых такой клеткой.

Что же касается синего колбочкового пигмента, то, по словам профессора Яу, «природа сама поставила для нас этот эксперимент». У многих амфибий один из типов палочек, называемых зелеными палочками, естественно экспрессирует один из синих колбочковых пигментов, как это делают синие колбочки.

Чтобы выяснить, может ли тепло активировать передачу пигментными клетками ложных сигналов, ученые, работая в темноте, сначала охладили клетки, а затем медленно вернули их к комнатной температуре, измеряя по мере нагревания их электрическую активность. Они установили, что чувствительный к красному свету пигмент вызывает ложную тревогу чаще всего, родопсин (чувствительный к голубовато-зеленому) – менее часто, а чувствительный к синему свету пигмент делает это еще реже.

«Это подтверждает существующую уже 60 лет теорию Барлоу (Barlow), которая предполагает, что, чем больше длина поглощаемой пигментом волны  – чем ближе свет к красному концу спектра – тем она шумнее», – комментирует результаты экспериментов доктор Яу.

Полученные данные позволили ученым разработать и проверить новую теорию: тепло может вызывать ложные сигналы пигментов с помощью того же механизма, что и свет.

Важнейшим положением этой теории является то, что зрительные пигменты – это большие сложные молекулы, содержащие много химических связей. А так как каждая химическая связь заключает в себе некоторое небольшое количество тепловой энергии, общее количество энергии, которое может содержать молекула пигмента, теоретически достаточно для того, чтобы вызвать ложную тревогу.

«В течение многих лет предполагалось, что свет и тепло активируют пигменты с помощью различных механизмов, но теперь мы думаем, что оба типа энергии вызывают, по сути, идентичные изменения в молекулах пигмента», – говорит Яу.

Зрительное восприятие начинается с фотоизомеризации зрительных пигментов. Тепловая энергия может дополнять световую в этом процессе, но может приводить и к спонтанной активации пигментов, проявляющейся в виде шума, мешающего световому восприятию. В течение более полувека механизм, лежащий в основе возникновения этого темного шума, оставался спорным. Теперь ученые установили количественную связь между энергией фотоактивации пигмента и пиковой длиной волны поглощения. Используя эту зависимость и предположив, что активация пигментов светом и теплом проходит через один и тот же энергетический барьер изомеризации, можно предсказать относительный шум различных пигментов. Соответствие прогнозов и проведенных измерений четко показывает, что пигментный шум возникает из канонической изомеризации. Предсказанный высокий шум для пигментов с максимальной длиной поглощения в инфракрасной области спектра предположительно объясняет, почему такие пигменты, очевидно, не существуют в природе. (Из аннотации к статье в Science). Теперь ученые знают, почему человек и животные не обладают инфракрасным зрением. (Фото: fotki.yandex.ru)

Более того, то, что пигменты с большей длиной волны вызывают более высокий уровень ложных тревог, может объяснить, почему животные не эволюционировали в сторону приобретения пигментов, чувствительных к инфракрасной области спектра.

Помимо завершения долгой дискуссии, работа является сигналом о том, что биомолекулы в целом обладают большей потенциальной тепловой энергией, чем считалось ранее.

Аннотация к статье Activation of Visual Pigments by Light and Heat