蚊が、格子状に並んだ微細なレンズを通してあなたを見つめている。あなたもハエたたきを手に、その血を吸う蚊をじっと見つめ返す。その貧弱な一眼で、あなたは蚊をじっと追いかける。しかし、互いの、そして世界を見る目は、あなたが思っている以上に共通点が多いのかもしれない。
先月Science Advances誌に掲載された研究によると、哺乳類の眼球内部では、細胞にエネルギーを供給する細胞小器官であるミトコンドリアが、微小なレンズのような第二の役割を果たしている可能性があることが明らかになった。このレンズは、光を光受容色素に焦点を合わせ、脳が解釈できる神経信号に変換する役割を担っている。哺乳類の眼球と昆虫や他の節足動物の複眼との間に驚くべき類似点を指摘するこの発見は、私たちの眼球には隠された光学的複雑性があり、進化が私たちの細胞構造の非常に古い部分に新たな用途を見出したことを示唆している。
目の一番前にある水晶体は、周囲の光を網膜と呼ばれる薄い組織層に集束させます。そこでは、光受容細胞（私たちの世界を色で彩る錐体細胞と、暗い場所での方向感覚を助ける桿体細胞）が光を吸収し、神経信号に変換して脳へと伝えます。しかし、光に敏感な色素は光受容細胞の一番端、ミトコンドリアの密集した束のすぐ後ろにあります。この束の奇妙な配置により、ミトコンドリアは一見不必要な光を散乱させる障害物と化しているのです。
ミトコンドリアは光粒子にとって「最後の障害」だと、国立眼研究所の上級研究員でこの論文の筆頭著者であるウェイ・リー氏は述べた。視覚科学者たちは長年、これらの細胞小器官の奇妙な配置を理解できなかった。結局のところ、ほとんどの細胞ではミトコンドリアが中心の細胞小器官である核に密着しているからだ。
一部の科学者は、光信号が神経信号に変換される場所（非常にエネルギーを必要とするプロセス）の近くにミトコンドリア束が進化し、エネルギーを容易に送り出し、迅速に伝達できるようになったのではないかと提唱しました。しかしその後、研究が進み、光受容体はエネルギーを得るためにこれほど多くのミトコンドリアを必要としない可能性が示唆され始めました。むしろ、細胞のゼラチン状の細胞質で起こる解糖系と呼ばれるプロセスから、より多くのエネルギーを得ている可能性が示唆されました。
リー氏と彼のチームは、昼間は素晴らしい視力を持つものの、光受容器に錐体細胞が不釣り合いに多く含まれているために実質的に夜盲症となっている小型哺乳類、ジリスの錐体細胞を分析することによって、これらのミトコンドリアの束の役割を解明しようと試みた。
コンピューターシミュレーションによってミトコンドリアの束が光学的特性を持つ可能性が示唆された後、リー氏とチームは実物を使った実験を開始した。彼らはリスの網膜の薄いサンプルを用い、錐体細胞の一部を除いて大部分の細胞を除去した。その結果、「膜の中にきちんと詰め込まれたミトコンドリアの袋のようなものができた」とリー氏は語った。
このサンプルに光を当て、リー研究室のスタッフサイエンティストであり本研究の筆頭著者でもあるジョン・ボール氏が製作した特殊な共焦点顕微鏡で詳細に観察したところ、驚くべき結果が明らかになった。ミトコンドリア束を通過した光は、明るく明瞭に焦点を絞られたビームとして現れたのだ。研究者たちは、これらの微小レンズを通して暗闇へと照射される光の写真と動画を撮影した。生きた動物であれば、そこに光受容色素が存在するはずだった。
ミトコンドリア束は障害物となるのではなく、損失を最小限に抑えながらできるだけ多くの光を光受容体に集める上で重要な役割を果たしているようだとリー氏は述べた。
シミュレーションによって、彼と彼の同僚たちは、レンズ効果は主にミトコンドリア束自体によって引き起こされ、それを取り囲む膜によってではないことを確認した（膜も役割を果たしていた）。ジリスの自然史における奇妙な現象も、ミトコンドリア束の形状が焦点を合わせる能力に決定的な役割を果たしていることを証明する助けとなった。ジリスが冬眠する数ヶ月の間、ミトコンドリア束は無秩序になり、圧縮される。研究者たちが冬眠中のジリスのミトコンドリア束を光が通過する際に何が起こるかをシミュレーションしたところ、ミトコンドリア束が細長く整然としているときほど光を集光できないことがわかった。
ジリスのミトコンドリア束は、冬眠すると形状が変化する。シミュレーションによると、冬眠中のリスのミトコンドリア束は不規則な形状をしており、活動中のリスの整然とした細長い束ほど光を集束させにくいことが示唆されている。イラスト：ジョン・ボール／国立眼研究所／網膜神経生理学セクション
過去には、ミトコンドリアの束が網膜における光の集光に役立っているのではないかと推測する科学者もいたと、コロンビア大学メディカルセンター眼科教授のジャネット・スパロウ氏は指摘する。同氏はリー氏の研究には関わっていない。それでも、この考えはあまりにも奇妙で、「私のような人間は、『おいおい、光を導くためだけにそんなにたくさんのミトコンドリアが必要なの？』と笑ってしまいました」とスパロウ氏は語る。「この論文こそが、まさにそれを実証した、しかも非常に分かりやすく示したのです」
Li氏らは、ジリスで観察された現象は、非常によく似た錐体構造を持つヒトや他の霊長類でも起こる可能性が高いと考えている。彼らは、この現象が、1933年に初めて報告され、スタイルズ・クロフォード効果と呼ばれる現象を説明できる可能性さえ示唆している。この現象では、瞳孔のまさに中心を通過する光は、斜めから入る光よりも明るく感じられる。中心の光はミトコンドリアの束とより一直線になっている可能性があるため、研究者らは、錐体の色素に焦点が合いやすいと考えている。網膜疾患の多くはミトコンドリアに損傷や変化を引き起こすため、彼らは、スタイルズ・クロフォード効果を測定することが、網膜疾患の早期発見に役立つ可能性があると示唆している。Li氏のチームは、病変したミトコンドリアが光をどのように異なる方法で焦点を合わせるのかを解析したいと考えている。
これは「素晴らしい実験モデル」であり、非常に斬新な発見だと、UCLA眼科学科の助教授で今回の研究には関わっていないイーロン・ペン氏は述べた。ペン氏はさらに、これらのミトコンドリア束が桿体細胞内で夜間視力を向上させる役割を果たしているかどうかを調べるのは興味深いだろうと付け加えた。
少なくとも錐体細胞においては、ミトコンドリアは微小レンズとして機能するように進化した可能性がある。なぜなら、その膜は脂質で構成されており、脂質は光を屈折させる自然な能力を持っているからだ、とリー氏は述べた。「ミトコンドリアはまさにこの機能を実現するのに最適な材料なのです。」
脂質は自然界の他の場所でも同様の機能を発揮しているようだ。鳥類や爬虫類は網膜に油滴と呼ばれる構造を進化させ、これは色フィルターとして機能するだけでなく、ミトコンドリア束のようにマイクロレンズとしても機能するとも考えられている。収斂進化の壮大な事例として、上空高く旋回する鳥、獲物の人間を取り囲む蚊、そしてこの記事を読んでいるあなたも、それぞれ独立して関連する光学機能を進化させてきた。それは、見る人の目に鮮明で鮮やかな世界をもたらす適応なのだ。
編集者注：イーロン・ペンは、クリンゲンシュタイン・シモンズ・フェローシップの支援を受けています。このフェローシップは、シモンズ財団が一部支援するプログラムであり、同財団は 編集上独立したこの雑誌の資金提供も行っています。シモンズ財団の資金提供に関する決定は、私たちの記事の掲載内容に影響を与えるものではありません。
オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。
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