Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Sure fiskeøjne ser bedre

Et nyt studie i eLife beskriver en mekanisme i fiskeøjet, som forbedrer nethindens iltforsyning og evnen til at behandle visuelt input. Denne mekanisme for forbedret synsevne kan have bidraget til den store udbredelse af fisk, som i dag udgør halvdelen af alle hvirveldyr.

24.08.2020 | Lena Bering

Fiskeøjets anatomi: Anatomien af øjet fra en regnbueørred, som viser nethinden (venstre) med fotoreceptorer (blå og rød) og et stort kapillærnetværk bag nethinden (diffus grøn). (Ill: Christian Damsgaard)

Når lys rammer vores øjne, omdanner nethinden lysbølgerne til elektriske signaler, som sendes videre til hjernen, hvor synsoplevelsen dannes. Denne proces kræver masser af ilt, som normalt bliver leveret gennem et tæt netværk af små blodkar.

Fisks nethinde har dog ikke en indre karforsyning, da blodet vil forstyrre lyset før det rammer nethindens lyssensitive neuroner, også kaldet fotoreceptorer, som ligger bagerst i nethinden. Fisk har kun blodkar på bagsiden af nethinden, og derfor er diffusionsvejen for ilt op til 50 gange højere end i menneskehjernen. Dette sætter spørgsmålstegn ved, hvordan fisk kan forsyne deres øjne med ilt uden de normale blodkar.

Forskere fra Aarhus Universitet har samarbejdet med kollegaer fra Scripps Institution of Oceanography (USA) og University of British Columbia (Canada), som har ført til nye videnskabelige resultater publiceret i tidsskriftet eLife. Her viser de en molekylær mekanisme i fiskeøjet, som forbedrer nethindens iltdiffusion med over 1000%.

En gaskirtel i fiskeøjet

For mere end 300 millioner år siden muterede fisks ilttransporterende protein, hæmoglobin, og blev mere følsomt over for blodets syreindhold. Dette gør, at hæmoglobiner i fisk hurtigt frigiver størstedelen af deres ilt til det omkringliggende væv ved blot en lille forsuring af blodet. På denne måde pumpes ilt ind i svømmeblæren, så fisken kan holde en neutral opdrift i vandet. De samme mutationer kan også gøre, at blodet kan frigive den nødvendige mængde ilt til øjet, på trods af manglen af et indre blodkarsystem.

”I over 50 år har man vidst, at fiskeøjet kan generere høje ilttryk, som kan forbedre ilts diffusion gennem deres store øjne,” fortæller Christian Damsgaard, som er førsteforfatter på det nye studie og adjunkt i dyrefysiologi ved Aarhus Institute of Advanced Studies og Institut for Biologi ved Aarhus Universitet: ”Dog har mekanismen, som forsurer blodet og dermed frigør ilt fra hæmoglobin, været ukendt indtil nu.”

I 2019 gik en international og interdisciplinær gruppe af dyrefysiologer, molekylærbiologer og farmakologer sammen for at kortlægge den primære biokemiske mekanisme, som skaber grundlaget for en forbedret iltforsyning til nethinden.

Forskningsgruppen, som Christian Damsgaard er en del af, har identificeret et sæt af enzymer, som først pumper forsurende protoner ind i blodbanen på bagsiden af fiskeøjets nethinde. Derefter transporterer enzymerne protonerne ind i de røde blodceller, hvor protonerne frigiver ilt fra hæmoglobin til nethinden. Disse resultater viser, at blodkarrene i fiskeøjet fungerer som en forsurende gaskirtel, som det også foregår i svømmeblæren.

Ilt forbedrer synsevnen

For at undersøge hvordan den nye iltforsyningsmekanisme påvirker synet, målte gruppen nethindens nerveaktivitet imens de blokkerede for den iltforsynende mekanisme med farmakologiske stoffer.

Ved at blokkere den forsurende mekanisme i blodbanen, blev nerveaktiviteten lavere i de dele af nethinden, som behandler og fortolker lysinputtet, inden det bliver sendt til hjernen. Derefter sammenlignede gruppen nethinden i over 30 fiskearter, hvor de så, at arter med disse forsurende blodkar havde markant større signalbehandlende områder i nethinden.

”Disse nye resultater viser os, at fisk sandsynligvis er blevet bedre til at identificere og opspore byttedyr, efter de udviklede denne forbedrede mekanisme til at frigive ilt til nethinden,” forklarer Christian Damsgaard: ”Dette kan have ført til mere aktive fødesøgningsstrategier i fisks tidlige forhistorie og kan have bidraget til den store udbredelse af fisk, som i dag udgør halvdelen af alle hvirveldyr.”

En protonpumpe med mange funktioner

Det samme protonpumpende protein, som frigiver ilt til fiskeøjet, findes også i mange andre vandlevende organismer. Her bidrager de blandt andet til at hajer kan regulere blodets pH efter et måltid, de forbedrer fotosyntesen i symbiotiske alger i koraller og de hjælper skeletspisende orme med at opløse kalkholdige knogler. Dette betyder, at generne, som koder for dette protonpumpende protein, kan findes i fjernt beslægtede dyregrupper.

”I min nuværende forskning har jeg fokus på fuglene, hvor man intet kender til hvordan ilt frigives til deres veludviklede nethinde. Her undersøger jeg om protonpumper forsurer blodet i fugleøjet på samme måde som i fisk for at få en forståelse af de fysiologiske mekanismer, som har skabt grundlaget for det skarpeste syn i dyreriget,” siger Christian. ”Denne forskning i fugleøjets iltforsyning kan være med til at belyse nye behandlingsformer for mennesker med forskellige former for kredsløbssygdomme.”

 

Kontakt

Christian Damsgaard, PhD, AIAS-COFUND fellow & Adjunkt
Aarhus Institute of Advanced Studies & Sektion for Zoofysiologi,
Aarhus Universitet
Telefon: +45 26 84 05 38
E-mail: christian.damsgaard@aias.au.dk

Videnskabelig artikel bag resultaterne

Via dette link kan man tilgå artiklen “A novel acidification mechanism for greatly enhanced oxygen supply to the fish retina” af: Christian Damsgaard, Henrik Lauridsen, Till S Harter, Garfield T Kwan, Jesper S Thomsen, Anette MD Funder, Claudiu T Supuran, Martin Tresguerres, Philip GD Matthews, Colin J Brauner.

Institut for Biologi