Een nieuwe internationale studie met de Universiteit van Liverpool onthult hoe de evolutie van krachtig zicht werd gevormd door een verbeterde zuurstoftoevoer naar de ogen.
Scherp zicht bij gewervelde dieren – van vissen tot vogels en zoogdieren – vertrouwt op grote ogen en dikke netvlies. Het visuele proces is echter energetisch duur en de hoge zuurstofbehoefte van dikke netvlies is moeilijk te vervullen door het conventionele zuurstoftoevoermechanisme door bloedvaten vlak achter het netvlies.
In een studie gepubliceerd in eLife heeft een team van onderzoekers van 15 instellingen onder leiding van de Universiteit van Aarhus en de Universiteit van Liverpool de fysiologische vereisten voor de evolutie van verbeterd gezichtsvermogen onderzocht. Hun bevindingen onthullen een fascinerend patroon van mechanismen om de zuurstofvoorziening van het netvlies te verbeteren, die samen met de verbeterde morfologie van het netvlies is geëvolueerd om het zicht te verbeteren.
De studie profiteerde van de diversiteit in vorm en functie tussen de ogen van 87 diersoorten. Door de kenmerken van hun ogen op de levensboom van de soort in kaart te brengen, ontrafelden de onderzoekers de evolutionaire geschiedenis van het oog van een 425 miljoen jaar oude uitgestorven voorouder van moderne gewervelde dieren tot hedendaagse dieren. Ze identificeerden drie verschillende fysiologische mechanismen voor zuurstofvoorziening van het netvlies die altijd worden geassocieerd met verbeterd zicht.
Het eerste mechanisme is aanwezig in veel vissen en omvat mutaties in hemoglobine die werden geassocieerd met het vermogen om zuurstof aan het netvlies af te geven bij uitzonderlijk hoge concentraties om de lange diffusieafstand naar de netvliescellen te overwinnen. Dit mechanisme ging vervolgens verschillende keren verloren, mogelijk om oxidatieve schade en gasbelvorming in het oog te voorkomen. Ten tweede zou de zuurstofafgifte kunnen worden verbeterd door bloedvaten die zuurstof leveren vanaf de voorkant van het netvlies of, ten derde, zelfs rechtstreeks vanuit het netvlies, dat echter het lichtpad naar de retinale fotoreceptorcellen kan belemmeren.
Deze verschillende afwegingen voor de toevoer van netvlieszuurstof blijken acceptabel te zijn in aanwezigheid van het verbeterde visuele vermogen dat beschikbaar was toen de dikte van het netvlies mocht toenemen.
De studie heeft geavanceerde hoogfrequente echografie, micro-computertomografie (CT) en magnetische resonantie beeldvorming (MRI) technieken toegepast in medisch onderzoek toegepast om de bloedtoevoermechanismen in enkele zeer kleine ogen of in uitzonderlijke museumspecimens, zoals het oog van de levende fossiele ‘oude fourlegs’ of coealacanth ( Latimeria chalumnae ).
“Het was bijzonder de moeite waard om samen te kunnen werken met dit team van vergelijkende dierfysiologen en artsen en hen te helpen de evolutie van fysiologische kenmerken op de stamboom van gewervelde dieren te reconstrueren”, zegt Dr Michael Berenbrink van Liverpool, één van de drie senior auteurs van de studie.
“Onze conclusies worden ondersteund door enkele natuurlijke knock-outs, zoals Antarctische ijsvissen, die hemoglobine in hun bloed hebben verloren en een aanvullend retinaal zuurstoftoevoermechanisme van pre-retinale capillairen hebben ontwikkeld, of Mexicaanse grotvissen, die rudimentaire ogen hebben en dus rondkomen met hemoglobines die minder efficiënt zijn voor de zuurstofvoorziening van het netvlies, ”vervolgt Dr. Berenbrink.
Over het geheel genomen toont de studie aan dat aanpassingen om de zuurstofafgifte aan het netvlies te verzekeren een fysiologische voorwaarde waren voor de functionele evolutie van het oog, wat het belang illustreert van een grondige kennis van fysiologische mechanismen voor het begrijpen van de evolutie van complexe structuren.