Рыбий глаз от катаракты

Цихлиды способны произвольно менять оптические свойства материала хрусталика

Глаза африканских цихлид сулят человеку избавление от старческой дальнозоркости и катаракты. Хрусталик этих рыб способен менять не только форму, но и оптические свойства самого материала, из которого сделан, по желанию животного. Днём и ночью глазная линза цихлиды работает по-разному.

Принципиально любой глаз, будь то сверхсложный орган птиц или простейшие глазки медуз, состоит из двух частей: «фотоэлектроумножителя» – сетчатки, преобразующей световой сигнал в электрический, и фокусирующей системы. И если в способностях сетчатки мы существенно уступаем тем же членистоногим, то фокусирующая система млекопитающих и птиц, безусловно, — самая совершенная среди животных.

Ей не только удается «уместить» изображения всех объектов, находящихся перед нами, на немногих квадратных миллиметрах сетчатки. За счёт сокращения мышц, изменяющих форму, а вместе с ней и оптическую силу хрусталика мы способны одинаково резко видеть объекты, находящиеся и на расстоянии вытянутой руки и в нескольких метрах.

Способности хрусталика тропических рыб цихлид этим не ограничиваются: в зависимости от интенсивности освещения они меняют оптические свойства самого материала, из которого изготовлена глазная «линза».

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2918451",
    "incutNum": 1,
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_2925691_i_1"
}

В общей сложности оптическая система глаза состоит из роговицы, хрусталика и стекловидного тела. Соответственно, размеры изображения, получаемого на сетчатке, зависят от оптической силы всех трёх вышеупомянутых «линз». Каждая из них, в свою очередь, определяется материалом и формой. Параметры роговицы и стекловидного тела практически неизменны, а вот хрусталик постоянно меняется.

В первую очередь эти изменения связаны с аккомодацией – наведением резкости на объект: например, у человека в зависимости от тонуса глазных мышц оптическая сила составляет от 19 до 33 диоптрий. Второй тип изменений связан не с формой, а с материалом: обычно с возрастом хрусталик становится более жестким, что и приводит к развитию «возрастной дальнозоркости» – пресбиопии. Кроме того, нарушается прозрачность, из-за чего нередко возникает катаракта, требующая хирургического лечения.

У цихлид изменения вещества хрусталика тоже происходят, только, в отличие от нас, они способны этими процессами управлять по потребности: например, при изменении освещения.

Несмотря на то, что хрусталик находится внутри глаза, развивается он из покровов эмбриона, а у взрослых рыб состоит из вытянутых внутренних волокон – хотя и живых, но лишенных каких бы то ни было органелл — и наружных клеток. Как установил Маркус Шартау и его коллеги из шведского Лундского университета, в случае цихлид органеллами обладают лишь клетки, удаленные от центра больше, чем на 92% по радиусу.

Но их неполноценность никак не сказалась на умении менять оптические свойства в зависимости от потребностей хозяина. Ученые обнаружили, что в зависимости от освещения хрусталик рыб работает по-разному, играя роль мультифокальной линзы днём и монофокальной ночью.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2846467",
    "incutNum": 2,
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_2925691_i_2"
}

Случайностью это открытие не стало: цихлид давно разводят офтальмологи-теоретики. Во-первых, и это немаловажно, это очень красивые аквариумные рыбки, с которыми гораздо приятней работать, чем с мышами, хомячками или, тем более, обезьянами. Во-вторых, их сетчатка, в которой, как и у нас, есть «черно-белые» палочки и «разноцветные» колбочки, постоянно меняется. Смещение максимума её светочувствительности у разных популяций даже стало причиной выделения новых видов в одном из африканских озёр, которое учёным недавно довелось наблюдать практически в реальном времени.

Кроме того, палочки и колбочки меняют своё местоположение в зависимости от времени суток, предотвращая «перекрывание» светового сигнала.

Шартау и соавторы публикации в Current Biology предположили, что изменениями в сетчатке суточные колебания могут не ограничиваться. Чтобы проверить эту гипотезу, учёные взяли две группы рыб, одну из которых держали в темноте, а другую на свету.

Аберрации

Хроматической аберрацией (от латинского «искажать») оптической системы называют зависимость её оптических свойств от длины волны падающего на неё света. Связана она с явлением дисперсии – зависимости коэффициента преломления любого вещества от частоты света.

Например, обычное стекло преломляет синие лучи чуть сильнее, чем красные. Из-за этого, во-первых, фокус, в котором сходятся синие лучи, расположен чуть ближе к линзе, чем «красный» фокус (хроматизм положения). Кроме того, из-за отличия в фокусном расстоянии масштаб красного изображения чуть больше, чем масштаб синего (хроматизм увеличения). Из-за этого эффекта края объектов, видимых через оптику с некомпенсированным хроматизмом увеличения, окрашены в красный цвет.

Хроматическая аберрация – «бич» преломляющей оптики, например – линзовых телескопов, или рефракторов.

Телескопам-рефлекторам присущи другие проблемы. Например, сферической аберрацией традиционно называют зависимость положения точки схождения лучей (фокуса) от расстояния этих лучей от оптической оси системы. Например, зеркало сферической формы фокусирует параллельные оптической оси лучи тем ближе к зеркалу, чем дальше от оси они проходят (отсюда и название аберрации – зеркала первых рефлекторов были именно сферическими).

Сейчас технологические возможности оптического производства позволяют создавать зеркала практически любой формы – параболоиды, гиперболоиды и поверхности более высоких порядков, которую рассчитывают так, чтобы обеспечить компромисс между сферической (или, если угодно, «гиперболической») аберрацией и другими искажениями, связанными с внеосевым расположением источников света.

Основных аберраций даже начальный курс оптики перечислит не менее десятка. Самые значимые среди них – кома, астигматизм и дисторсия.

Оказалось, что днём хрусталик – это мультифокальная линза, обладающая регионами с разной оптической силой, а потому полностью компенсирующая хроматические и сферические аберрации, связанные с тем, что свет разной длины волны преломляется под разным углом. Это позволяет «совместить» изображения в, например, красном и синем цвете.

Ночью эта же самая линза превращается в монофокальную, но так как при сумеречном освещении задействуются в основном палочки, то аберрации никак не сказываются на разрешении: палочки крупнее колбочек, и даже немного «разделяющиеся» лучи синего и красного света попадают на одну палочку и воспринимаются вместе. Кроме того, немного увеличивается «активная площадь» всей линзы, что позволяет собрать максимальное количество света.

Самое удивительное, что в этом участвуют не только полноценные, но «полуживые» клетки, лишенные органелл.

Механизм этих изменений пока остается неизведанным. Хотя ученые уверены, что здесь не обходится без дофамина, отвечающего за циркадианные перестройки в сетчатке, его ключевую роль показать не удалось.

Но поиск продолжается, ведь если найдется препарат, способный направленно изменять «материал» хрусталика, то о возрастной пресбиопии можно будет забыть.

Теоретически этим же принципом можно воспользоваться и при удалении катаракты. Дело в том, что когда на место удаленного хрусталика ставят новый, то он уже не способен менять свою кривизну. Следовательно, пациенту приходится выбирать, будет ли он хорошо видеть «вдали или вблизи», и такой хрусталик и имплантировать. Идея мультифокальных хрусталиков пока не достаточно хорошо реализована, но, как и у рыб, можно попробовать создать материал с изменяемыми свойствами. Осталось только придумать, как быстро, эффективно и при этом безопасно влиять на параметры линзы, находящейся внутри глаза.