מבט אל עין הדג

אבי תורת האבולוציה, צ'ארלס דארווין, הודה בהכנעה שהתפתחותו של איבר פלאי כמו העין היא חידה בעיניו. כיום אנו יודעים שמדובר בפלא אחד מִנִי רבים: האבולוציה "יצרה" מערכות ראייה רבות ומגוונות, שרבות מהן אף קוראות תיגר על מידת התיחכום של העיניים שלנו. מחקר חדש של מדעני מכון ויצמן למדע, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Advanced Science, מתמקד באחת מאותן מערכות ראייה מתוחכמות, וממחיש את הדיוק הרב ואת המורכבוּת שהתפתחו בקשתית העין של דג הזברה.

עוד כתבות במסע הקסם המדעי של מכון ויצמן למדע:

ניסוי בהזדקנות

מה מסמן הגביש?

שום אברון איננו אי

צילום תקריב של עין דג הזברה. מערכת ראייה מתוחכמת ומדויקת(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

ד"ר דביר גור חקר את מערכת הראייה של דג הזברה במסגרת מחקר בתר-דוקטוריאלי שהפגיש שניים ממדעני המכון - פרופ' גיל לבקוביץ מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא, ופרופ' דן אורון מהמחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות: פרופ' לבקוביץ חוקר את התפתחות מערכת העצבים של דגי הזברה, ופרופ' אורון מתמחה בחומרים הקולטים ומפזרים אור.

באמצעות שילוב כוחות הצליחו החוקרים לגלות כיצד בנויה השכבה החיצונית והכסופה של עיני הדגים, וכיצד היא פועלת. "הקשתית, הן שלנו והן של דג הזברה, חוסמת את האור הפוגע בעין, לְמַעֵט הקרניים שעוברות דרך האישון אל העדשה והרשתית", אומר ד"ר גור. "קשתית העין שלנו מכילה את הפיגמנט מלנין, אשר בולע אור, וריכוזו בקשתית גם קובע את צבע העין. בדגי זברה, לעומת זאת, הקשתית מחזירה אור בדומה למראה, ובתוך כך גם מסווה את עיני הדג, הבולטות מצדי ראשו. רצינו להבין כיצד הקשתית מבצעת את שני התפקידים - גם חסימת אור לא-רצוי וגם הסוואה".

לשם כך נעזרו החוקרים תחילה במערכת המיקרו-טומוגרפיה הממוחשבת (microCT) במכון, ובעניין זה סייע להם מדען הסגל, ד"ר ולד ברומפלד. כך ביקשו לקבל תמונה כוללת של מבנה העין. בהמשך התמקדו החוקרים במקטעים של הקשתית באמצעות שימוש במיקרוסקופ אלקטרוני סורק (cryo-SEM). החוקרים ציפו למצוא שכבה של גבישי גואנין, החומר המשמש גם כאחת מאבני הבניין של הדי-אן-איי. כאשר גואנין מצוי בצורתו הגבישית, הוא שקוף, אך לוחיות גואנין גבישי דקות המסודרות בשכבות, מחזירות אור, ובדרך כלל יוצרות מראה כסוף או זוהר. אצל דגים, בעורם ובקשקשיהם, קיימים גבישים של גואנין, והם מיוצרים על-ידי תאים מיוחדים הנקראים אירידופורים.

הקשתית מחזירה אור בדומה למראה, ובתוך כך גם מסווה את עיני הדג, הבולטות מצדי ראשו(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

וכך, בהתאם לציפיותיהם, מצאו החוקרים כי שכבת הקשתית החיצונית אכן מרוצפת גבישי גואנין דקים. אולם, הם הופתעו לגלות שתי שכבות נוספות: שכבה אמצעית המורכבת מגבישים לא מסודרים, ושכבה פנימית דקה מאוד המכילה מלנין, אותו פיגמנט בולע-אור המצוי בקשתית העין האנושית. כל אחת משכבות אלה בפני עצמה יכולה למנוע הקרנת אור לא-ממוקד על הרשתית. ואם כך, מה ההיגיון האבולוציוני בקיומן של השלוש גם יחד? הדמיות מחשב ומדידות אופטיות, שבוצעו יחד עם עמרי בר-אלי מקבוצת המחקר של פרופ' אורון, סייעו למדענים לגלות את התשובה.

השכבה החיצונית והמאורגנת מחזירה אור בעיקר באורכי גל כחולים וירוקים; אלה הם כמובן אורכי הגל העיקריים של האור מתחת לפני המים, והם המתאימים ביותר לצורך הסוואת עין הדג. השכבה השנייה מפזרת את האור, והשכבה השלישית, הנמצאת בחלק הפנימי של הקשתית, פועלת כמעין "מסך שחור" הבולע את קרני האור שהצליחו לחמוק מבעד לשתי השכבות האחרות.

תצפיות על התפתחות הקשתית לאורך חיי הדג הוסיפו נדבך נוסף להבנת דרך הפעולה של העיניים. החוקרים גילו, כי ימים ספורים בלבד לאחר שהדגיג בוקע מהביצה, מופיעה שכבת הגבישים המסודרת של הקשתית, בעוד השכבה הלא-מסודרת מתפתחת רק בהמשך. הדמיות חישוביות שערכו החוקרים הצביעו על כך, ששכבת גבישים דקה יכולה לחסום פי 3 יותר אור מאשר שכבת מלנין בעובי דומה. לפיכך, שכבה זו היא שימושית במיוחד בעבור עיניים קטנטנות של דגיג שזה עתה נולד, ומוכרח להבחין במהרה בטורפים ובטרף, בד בבד עם המשך ההתפתחות של עיניו בקצב מהיר.

קשתית הדג כפי שהיא נראית תחת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. מימין: השכבה החיצונית המרוצפת גבישי גואנין דקים, משמאל: חתך רוחב המציג שלוש שכבות נפרדות(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

כדי להעמיק עוד יותר את ההיכרות עם עין הדג ולבחון את מבנה הקשתית שלו, נסעו החוקרים לשווייץ, לבדוק זאת במתקן האירופי לקרינת סינכרוטרון (ESRF). מסביר פרופ' אורון: "התמקדות בקנה-המידה הננומטרי וסריקה מהירה מאוד באמצעות קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן בסינכרוטרון איפשרו לנו לקבל תמונה של הקשתית השלמה, ולא של מקטעים בלבד, ברזולוציה מדהימה". בשיתוף ד"ר יאן-דייוויד ניקולאס, מאוניברסיטת גטינגן בגרמניה, ניתחה קבוצת המחקר כמות עצומה של נתוני סריקות, וגילתה הפתעה נוספת: "אריחי" הגביש בשכבה החיצונית – שהם משוּשים דקים וארוכים – כמו הונחו בידי רצף-אומן לכל האורך, כשכולם ממוקמים באותו אופן בדיוק, וזוויתם משתנה עם עקמומיות העין. כך נראית הקשתית כולה כסופה, ובו בזמן גם מגינה על קצות העין ועל האזורים הקרובים ביותר לעדשה מפני אור השמש המגיע מלמעלה.

ד"ר גור, אשר מבצע בימים אלה מחקר בתר-דוקטוריאלי נוסף בקמפוס ג'נליה של המכון הרפואי הווארד יוז ובמכונים הלאומיים לבריאות (NIH) בארצות הברית, אומר כי לממצאים אלו יש משמעות גם עבור בני אדם. בימים אלה הוא בודק אם הבנת הדרך שבה שולטים הדגים בהתפתחות הגבישים בעיניהם ובעורם עשויה לסייע לטפל במחלות כמו גאוט (שיגדון) או אבנים בכליות, שבהן נוצרים גבישים של חומר דומה (חומצת שתן) במקומות שבהם הם אינם רצויים. "לעיתים, פתרונות אבולוציוניים קדומים עשויים לסלול דרך לפתרונות חדשים", אומר ד"ר גור.

"נדרשו כימאי מבני, ביולוג, פיסיקאי, ושילוב של שיטות שונות ומגוונות כדי להגיע לתוצאות מחקר זה", מסכם פרופ' לבקוביץ. "ללא כל אחד מהם, לא היינו יכולים להבין את האבולוציה של מערכת מורכבת זו".