Есть свет для бедных и свет для богатых
Почему сетчатку называют частью мозга, помещенной в глаз? Что такое родопсин? Правда ли, что человечество слепнет, и как этого избежать? Можно ли вернуть зрение полностью слепому человеку? Об этом рассуждает академик Михаил Островский, физиолог, главный научный сотрудник Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН.
Безумно интересно, как квант света — физическая форма движения материи — преобразуется в биологический сигнал, в то, что я вижу вас, а вы — меня. Чарльз Дарвин в своем знаменитом труде «Происхождение видов путем естественного отбора» в 1859 году писал, что все он может объяснить своей теорией, единственное, что не может,— как возник в эволюции глаз.
Всюду родопсин
— Вы это тоже не можете объяснить?
— Только недавно стали появляться статьи на эту тему. Сейчас научное сообщество начинает понимать, как это все шло в эволюции.
— Почему глаз — такая сложная система?
— Потому что она совершенна. Потому что зрение для организма — наиважнейший источник информации. Глаз человека — частный случай органа зрения позвоночных животных. Глаза беспозвоночных ничуть не менее совершенны, но устроены по-другому. В период кембрийского взрыва, около 600 млн лет назад, когда возникало необыкновенное разнообразие видов животных, формировалось и огромное разнообразие органов зрения. У беспозвоночных, например у насекомых, глаз состоит из множества маленьких глазков — омматидиев, похожих на дольку апельсина. У позвоночных глаза — как камера-обскура, как фотоаппарат с фотопленкой. Но что самое удивительное: в глазах всех живых существ, от самых примитивных до самых высокоорганизованных, как бы по-разному они ни были устроены — креветки, осьминога и кальмара, мухи и таракана, рыбы, птицы, кошки, собаки, обезьяны и человека,— светочувствительный «чип», молекула, поглощающая квант света и запускающая зрительный акт, одна и та же — это молекула родопсина.
Время собственно фотохимической реакции родопсина фантастически короткое — около 50–100 фемтосекунд. Это вообще одна из самых быстрых реакций в фотохимии. Родопсин в этом отношении становится сейчас парадигмой не только для фотобиологии, но и для фотохимии вообще. К нему, к его прямым и обратным реакциям, проявляют интерес специалисты в области молекулярной электроники. Ибо было бы очень здорово по образу и подобию родопсина создать молекулярные фотопереключатели, эдакие сверхбыстрые фоточипы. Суть же фотохимической реакции родопсина состоит в том, чтобы «выпрямить» ретиналь.
— А что такое ретиналь?
— Ретиналь — это слегка видоизмененный витамин А. Он, как ключ в замок, вставлен в белковую часть молекулы родопсина. В темноте ретиналь изогнут, как кочерга. Квант света его выпрямляет. Время «выпрямления» — это и есть те самые 50–100 фемтосекунд. Свет в зрении нужен на самом деле только для того, чтобы ретиналь выпрямить и тем самым запустить зрительный процесс.
Надо сказать, что только в нескольких физических лабораториях мира созданы такие сложнейшие лазерные установки, которые позволяют проводить такого рода эксперименты. Такую фемтосекундную установку создали физики Олег Саркисов и его ученик Виктор Надточенко в Институте химической физики имени Н. Н. Семенова. И я был первым, кто принес Олегу родопсин для изучения его сверхбыстрой фотохимии. За последние годы мы много что узнали о тонкостях этой уникальной, сверхбыстрой и эффективной реакции родопсина на свет.
— Но почему это нужно делать так быстро?
— Чтобы энергия кванта света, поглощенная молекулой родопсина, пошла «на дело», а, не дай бог, не высветилась в виде флюоресценции, не рассеялась в тепло и не генерировала активную форму кислорода, испортив зрительную клетку.
Часть мозга?
— А что насчет сетчатки как «части мозга в глазу»?
— О, это совсем другая история. Сетчатка, конечно, никакая не фотопленка на дне «глазного бокала». Она сложнейший нервный центр, в ней совершается грандиозная переработка зрительной информации. И уже в сильно переработанном, перекодированном виде она примерно по 1,2 млн волокон зрительного нерва передается в мозг. В мозгу этот процесс обработки продолжается, и возникает зрительный образ.
Нейрофизиологические исследования на сетчатке — фактически исследования механизмов обработки информации в мозгу.
Мы смотрели, что происходит с родопсином после свершения зрительного акта. Так вот, после этого родопсин разваливается. Родопсин — молекула однократного действия. В зрительной клетке их очень много — порядка 10 в девятой степени. Для зрительного акта используется лишь ничтожная доля.