In vitro -tutkimus torakan ja kenttäsirkan näköaistinsolujen sähköfysiologisista ominaisuuksista

Väitöskirjassa tutkittiin näköaistinsolujen sellaisia ominaisuuksia, joiden avulla näkeminen lähes pimeässä on mahdollista. Tutkimuksen kohteena olivat kahden hämäräaktiivisen hyönteisen, amerikantorakan (Periplaneta americana) ja kaksitäpläsirkan (Gryllus bimaculatus) näköaistinsolujen sähköfysiologiset ominaisuudet.

Tutkimuksen kokeellisena menetelmänä käytettiin solukalvojen ionikanavien mittausmenetelmää, patch-clamp–tekniikkaa. Kokeilla pyrittiin selvittämään eristettyjen näköaistinsolujen sähköisiä ominaisuuksia sekä solukalvon läpi kulkevia ionivirtoja. Lisäksi tutkimuksessa hyödynnettiin mittauksiin pohjautuvaa matemaattista mallinnusta.

Valon aistiminen perustuu näköaistinsolujen kykyyn kerätä kohtaamiensa valokvanttien eli fotonien energiaa. Tämä energia käynnistää biokemiallisen ketjureaktion, fototransduktion, joka johtaa sähkökemiallisen jännitesignaalin syntymiseen näköaistinsolun solukalvolla. Tätä signaalia kutsutaan valovasteeksi. Valovaste pitää siis sisällään informaation siitä, mitä eläin näkee. Tämä johdetaan lopulta aivoihin ohjaamaan eläimen käyttäytymistä. Koska luotettavan näköaistimuksen luominen riippuu saatavilla olevien fotonien lukumäärästä, hämäräaktiivisten hyönteisten evoluutio on ymmärrettävästi tehostanut verkkosilmien valoherkkyyttä hyödyntämällä erilaisia rakenteellisia ja toiminnallisia ominaisuuksia. Tärkeänä osana tätä sopeutumista ovat näköaistinsolujen sähköfysiologisiin ominaisuuksiin vaikuttavat mekanismit, joista kuitenkin tiedetään toistaiseksi hyvin vähän.

Väitöskirjatutkimuksen tulokset osoittivat, että torakoiden ja kenttäsirkkojen näköaistinsolujen sähköiset ominaisuudet mahdollistavat valovasteiden tehokkaan vahvistamisen hämärässä valossa. Vahvistuksen haittapuolena on hitaampi näköaisti. Näin ollen tätä kyseistä vahvistusta voidaan verrata kameran valotusajan pidentämisen vaikutuksiin. Valovasteita vahvistivat myös molemmilla lajeilla havaitut suhteellisen suuret alkeisvirtavasteet, jotka syntyvät, kun yksi yksittäinen fotoni absorboituu käynnistäen fototransduktion. Valon aikaansaamien virtojen perusteella havaittiin myös, että torakan näköaistinsoluille tyypillinen valovasteiden sekä herkkyyden vaihtelu johtuu näköaistinsolujen välisistä valoherkän kalvoston pinta-alaeroista. Torakan valovastevirtoja välittävät ionikanavat eivät myöskään ole niin valikoivia kalsium-ionien suhteen, kuin esimerkiksi banaanikärpäsellä, joka on tähän päivään mennessä ollut yksi yleisimmistä hyönteisnäkömalleista.

Kenttäsirkkojen viherherkissä näköaistinsoluissa havaittiin hämäränäkemiseen sopeutuneille hyönteisille ominaiset kaliumionien virtojen ominaisuudet. Ns. nopea kaliumvirta erottui hitaampaa kaliumvirtaa selvemmin. Torakan viherherkissä soluissa sekä kenttäsirkan valon polarisaatiolle herkissä soluissa tilanne oli yllättäen päinvastainen. Kyseisissä näköaistinsoluissa hidas kaliumvirta oli selkeästi hallitseva ja muistutti vastaavia virtoja päiväaktiivisissa hyönteisissä. Matemaattisen mallinnuksen tuloksena tiedämme nyt, että tämä hidas kaliumvirta osallistuu torakan valovasteiden vahvistuksen säätelyyn. Kenttäsirkan viher- ja polarisaatioherkkien näköaistinsolujen välisten signalointi- ja tiedonsiirtoerojen perusteella voitiin arvioida, että viherherkät solut olisivat odotetusti paremmin soveltuvia kuvan muodostamiseen. Polarisaatioherkkien solujen ominaisuudet viittasivat siihen, että niiden pääasiallinen rooli on havaita valon polarisaatiota hämärissä valaistusolosuhteissa.