Øjet er et indviklet sanseapparat, som består af mange delkomponenter. Øjet har derfor igennem flere århundreder spillet en central rolle i diskussionen om, hvorvidt komplekse systemer kan opstå gennem evolutionen, eller om deres opståen krævede guddommelige kræfter.
Øjets lysfølsomme celler sidder yderst i nethinden. Disse celler har et ekstremt højt stofskifte og skal derfor forsynes med ilt fra blodet for at kunne danne de nervesignaler, der ledes til hjernen, hvor synsoplevelsen skabes.
Behovet for ilt gælder både for den nærsynede salamander og den falk, der kan spotte en mus på 400 meters afstand. Men for alle dyrene gælder det også, at nethindens indre lag er vanskelige at forsyne med blodkar, idet det røde blod skygger for de lysfølsomme celler i nethindens yderside.
Der er dermed et fysiologisk kompromis mellem behovet for en rig blodforsyning og mængden af lysindfald til nethinden.
I et nyt studie med en række nationale og internationale kolleger har vi nu undersøgt øjets og nethindens størrelse og deres iltforsyning hos 87 forskellige hvirveldyr – inklusiv fisk, padder og pattedyr.
Denne sammenlignende analyse giver et nyt og unikt indblik i øjets evolution igennem de sidste 425 millioner år.
Her tegnede sig hurtigt et klart evolutionært mønster: Forbedret syn gennem en mere veludviklet nethinde hænger uomtvisteligt sammen med en forbedret iltforsyning.
LÆS OGSÅ: Øjets fantastiske evolution
De to veje til at levere ilt til øjet
Forbedringer i iltforsyningen til nethinden kan ske via to mekanismer:
Iltforsyningen kan forbedres ved at effektivisere måden, hvorpå blodet frigiver ilt fra det iltbærende protein hæmoglobin til nethinden. Dette kan gøres ved at skabe et højt ilttryk, hvorved ilten kan diffundere dybere ind i nethinden fra dennes yderside.
Nethindens iltforsyning kan også forbedres ved at udvikle små indbyggede blodkar inde i nethinden, der reducerer iltens diffusionsafstand.
Men sådanne blodkar kan have negative effekter for synet, fordi karrene interagerer med det indgående lys, inden det rammer fotoreceptorerne bagerst i øjet (se figur 1 herunder).
Vi undersøgte derfor samspillet mellem evolutionen af hæmoglobin, blodkar i nethinden og øjets anatomi på tværs af de mange arter.
Unikke mutationer skaber høje ilttryk i fiskeøjet
Fisk udgør knap halvdelen af klodens 70.000 arter af hvirveldyr og er dermed den langt mest artsrige gruppe af hvirveldyrene.
Fiskene har også den største diversitet af arter; fra arter som lever på bunden af de dybe, kolde verdenshave til luftåndende fisk i varme tropiske vandhuller.
Derfor tog vores øje-studium et naturligt afsæt i fiskene.
Som en helt unik tilpasning kan nogle fisk yderst effektivt frigive ilt fra deres røde blodceller på grund af usædvanlige mutationer i hæmoglobin. Det gør, at blodet bag nogle fisks nethinder får meget højt ilttryk, som er mange gange højere end ilttrykket i menneskeøjet.
Vores evolutionære model røber, at disse mutationer opstod for omkring 280 millioner år siden i den fælles forfader til de fleste nulevende fisk. Vi kunne også se, at fisk med mutationen i hæmoglobin fik markant større øjne med en tykkere nethinde (grøn cirkel i figur 2).
Dette gav os de første indikationer på, at der var en tæt sammenhæng mellem øjets iltforsyning og ydeevne.
Blinde hulefisk og blege isfisk er undtagelserne, som bekræfter reglen
På trods af nogle fisks unikke hæmoglobiner er det ikke alle fisk, der har et specielt godt syn. Flere grupper af fisk har specialiseret sig i at bo i huler, dybe søer og mudrede sumpe, hvor der ikke er lys nok til at bruge synet.
Derfor har eksempelvis de fleste hulefisk stærkt reducerede øjne – sandsynligvis fordi det ikke kan betale sig at bruge energi på at opretholde et sanseapparat, som ikke kan bruges.
Vi undersøgte derfor hæmoglobins funktion i mexicanske tetra-fisk (Astyanax mexicanus), hvoraf nogle underarter inden for de seneste tre millioner år invaderede henholdsvis delvist mørklagte og helt kulsorte huler, mens andre underarter beholdte deres oprindelige levevis i åbne, lysrige floder.
Her kunne vi se, at hulefiskene med små eller helt reducerede øjne i stigende grad havde reduceret evnen til at generere høje ilttryk bag nethinden, mens den storøjede stamform stadig havde den oprindelige udtalte evne til at frigive ilt fra hæmoglobin.
Hulefiskene viste os derfor, at den iltfrigivende mekanisme i fiskeblod kun bevares i arter, som har brug for synet. Blodets biokemi er altså blandt andet styret af tilstedeværelsen (eller fraværet) af øjne.
LÆS OGSÅ: Øjet kigger, men hjernen ser
Fisks øjne blev store – og så små igen
Vi undersøgte også den omvendte situation – dvs. hvordan er øjet hos fisk, der ikke har den særlige mutation i hæmoglobinet?
Det gjorde vi blandt andet ved at studere de såkaldte isfisk, som lever i ishavet omkring Antarktis, og som slet ikke har hæmoglobin i blodet. Alligevel har isfisk store og funktionelle øjne.
Vi fandt, at de store øjne får ilt gennem en ekstrem tæthed af de små blodkar, der løber på indersiden af nethinden, men da isfiskenes blod på grund af fraværet af hæmoglobin er langt mere klart og gennemlyseligt end almindeligt rødt blod, blokeres lysindfaldet til nethindens lysfølsomme celler ikke i samme grad, som det ville være tilfældet i alle andre dyr.
Dernæst undersøgte vi andre fiskearter, der har hæmoglobin, men som mangler de særlige mutationer, der muliggør den store iltfrigivelse bag nethinden. Her viste vores analyse, at hæmoglobin tabte sine unikke mutationer mindst 23 gange i udviklingen af fisk.
Ligesom i hulefiskene var disse 'tilbage-mutationer' i hæmoglobin forbundet med udviklingen af meget mindre øjne og tyndere nethinder. Dette peger i retning af, at der er omkostninger ved at have disse fiske-specifikke mutationer i hæmoglobin.
Disse omkostninger kan være oxidativt stress i væv, som ikke har brug for samme høje iltforsyning som nethinden. De høje ilttryk kan også føre til dannelse af gasbobler i øjnene, der kan påvirke den skrøbelige nethinde.
Derfor argumenterede vi for, at disse omkostninger ved at have specielle hæmoglobiner kun bliver tolereret, når fisk er afhængige af deres synssans.
Når nogle fiskearter bliver mindre afhængige af synet, er den unikke hæmoglobin ikke længere en fordel, hvorfor hæmoglobin har en tendens til at mutere tilbage til sin oprindelige form.
Med denne grundige analyse af fisks øjne kunne vi vise, at evolutionen ikke kun går mod bedre evne til at se, men at øjet ændrede sin anatomi frem og tilbage gennem dyrs evolutionære forhistorie – og at disse ændringer direkte har fulgt blodets evne til at frigive ilt til nethinden.
\ Forskerzonen
Denne artikel er en del af Forskerzonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.
Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.
Forskerzonen er støttet af Lundbeckfonden.
LÆS OGSÅ: Antarktiske isfisk kan lære os om sygdomme i nethinden
Fugle kan give indsigt i menneskets sygdomme
Det skarpeste syn blandt alle dyr finder man i fuglene – i særdeleshed i rovfuglene. Det skyldes blandt andet en nethinde, som er tætpakket med fotoreceptorer, og som derfor har sikkert et exceptionelt højt iltforbrug.
I modsætning til mange pattedyr har fugle ikke de små blodkar indeni nethinden, og det er derfor et mysterium, hvordan fugles blod er i stand til at frigive disse enorme mængder af ilt til nethinden.
Derfor har vi nu startet et stort øjeprojekt op støttet af Carlsbergfondet, hvor vi vil kortlægge de fysiologiske mekanismer, som er opstået i fuglenes forhistorie til at forsyne deres højmetaboliske nethinde med ilt.
Her vil vi undersøge og sammenligne nethinden fra fugle samt deres tætteste beslægtede søstergrupper, så som krokodiller, slanger og skildpadder, for at identificere hvilke fysiologiske egenskaber, der ligger til grund for den meget effektive ilttilførsel til fuglenes øjne.
Vi håber, at vi kan finde frem til ny, grundlæggende viden omkring ilttilførsel til nervevæv, og hvorledes fysiologiske funktioner er opstået og har udviklet sig i løbet af reptiler og fugles evolutionære historie.
Men en afledt effekt af dette projekt kan også være at identificere nogle specielle egenskaber i fugle, som vil kunne bruges i behandlingen af flere menneskelige sygdomme.
De negative effekter af flere menneskelige sygdomme skyldes nemlig manglende ilttilførsel til organer, for eksempel i nogle stadier af diabetes og hjertekarsygdomme.
Ved at identificere hvordan millioner af års naturlige selektion har skabt det exceptionelle fugleøje, kan vi potentielt få inspiration til nye behandlingsformer for nogle former for kredsløbssygdomme.
LÆS OGSÅ: Øjet er vores vindue til hjernen
LÆS OGSÅ: Evolutionshistorisk gåde splitter forskerne: Udviklede nervesystemet sig to gange?
\ Sådan gjorde vi
Vi brugte mange forskellige eksperimentelle teknikker til at undersøge samspillet mellem øjets anatomi og blodets biokemi hos de mange arter af hvirveldyr.
Ud fra blodprøver fra de forskellige dyr målte vi hæmoglobins evne til at binde ilt ved forskellige pH-niveauer. Det var vigtigt, fordi mekanismen, hvormed ilt kan leveres ved et højt tryk i nethinden, styres ved hjælp af forsuring af blodet.
For at beskrive den anatomiske opbygning af blodkredsløbet til nethinden benyttede vi tynde farvede vævssnit (histologi) og billeddannende teknikker, der traditionelt anvendes i den medicinske verden – CT og MR-scanninger, på apparaturer der var specialiserede til at undersøge meget små præparater ved en høj billedopløsning (såkaldte micro-CT- og micro-MR-skannere).
Endeligt brugte vi ultralydsscanninger til at undersøge blodgennemstrømningen til nethinden i de forskellige dyr.
\ Varmblodede dinosaurer påvirkede pattedyrsøjets evolution
Efter at have studeret iltforsyningen til fiskeøjet satte vi os for at undersøge, om samme forhold mellem iltforsyning og øjets anatomi gælder i pattedyr.
Mange pattedyr, heriblandt mennesket, har små blodkar indeni nethinden, som forsyner nethinden med ilt og næringsstoffer.
Vi undersøgte derfor tilstedeværelsen af små blodkar i nethinder hos en lang række pattedyr og modellerede nethindens evolution gennem pattedyrenes udviklingshistorie (se figur 5).
Pattedyrene opstod for omkring 300 millioner år siden og levede de første mange millioner år samtidig med de dagsaktive dinosaurer, som man formoder var koldblodede.
For at undgå at blive ædt af dinosaurerne var de tidlige pattedyr aktive om natten og langt mere afhængige af deres lugtesans og hørelse end af synet.
Uafhængigheden af synet kunne ses i vores evolutionære model for pattedyrsøjet, hvor det oprindelige pattedyrsøje ikke var udstyret med de iltforsynende små blodkar inde i nethinden.
For ca. 100 millioner år siden udviklede en gruppe af dinosaurerne (forfædrene til de nulevende fugle) endotermi – altså evnen til at opretholde en højere kropstemperatur end omgivelserne.
Med denne evne kunne de nu være aktive igennem hele døgnet og kunne derfor effektivt jage de nataktive pattedyr. Dette skabte en kraftig naturlig selektion imod dagsaktivitet blandt pattedyrene og større afhængighed af synet.
I vores model for pattedyrsøjet kunne vi se, at de placentale pattedyr udviklede små blodkar inde i nethinden på netop dette tidspunkt i evolutionen, hvor man forventer at de blev mere afhængige af synet.
Det er netop dette gamle indbyggede netværk af små blodkar, som forsyner nethinden med ilt i mange nulevende arter af pattedyr, og som eksempelvis er helt afgørende for menneskets synsdominerede levevis.
