Het woord “Sint-Jakobsschelp” doet meestal denken aan een sappige, ronde adductor-spier-een delicatesse van zeevruchten. Het is dus niet algemeen bekend dat sint-jakobsschelpen tot 200 kleine oogjes hebben langs de rand van de mantel die hun schelp bekleedt. De complexiteit van deze ogen van weekdieren wordt nog steeds onthuld. Een nieuwe studie, gepubliceerd in Current Biology, onthult dat sint-jakobsschelpogen pupillen hebben die verwijden en samentrekken in reactie op licht, waardoor ze veel dynamischer zijn dan eerder werd aangenomen.
“Het is gewoon verrassend hoeveel we ontdekken over hoe complex en hoe functioneel deze sint-jakobsschelpogen zijn,” zegt Todd Oakley, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara.
De optiek van sint-jakobsschelpogen is heel anders opgezet dan onze eigen oogorganen. Wanneer het licht het oog van de Sint-Jakobsschelp binnenkomt, passeert het de pupil, een lens, twee netvliezen (distaal en proximaal), en bereikt dan een spiegel gemaakt van guaninekristallen aan de achterkant van het oog. De gebogen spiegel weerkaatst het licht op het inwendige oppervlak van de netvliezen, waar neurale signalen worden opgewekt en doorgestuurd naar een klein visceraal ganglion, of een cluster van zenuwcellen, waarvan de belangrijkste taak is de darm- en adductorspieren van de Sint-Jakobsschelp te besturen. De structuur van het oog van een jakobsschelp is vergelijkbaar met de optische systemen die in geavanceerde telescopen worden aangetroffen.
Voor vele jaren vormden de fysica en de optica van het oog van de jakobsschelp een verbijsterend probleem. “Het belangrijkste netvlies in het oog krijgt bijna volledig onscherp licht omdat het te dicht bij de spiegel zit,” zegt Dan Speiser, een visiewetenschapper aan de Universiteit van South Carolina en de senior auteur van de nieuwe studie. Met andere woorden, elk beeld op het proximale netvlies zou wazig en onscherp zijn. “Dat lijkt me gewoon zo onredelijk,” zegt Speiser.
De nieuwe studie werpt enig licht op dit mysterie. De onderzoekers ontdekten dat de sint-jakobsschelp pupillen in staat zijn om te openen en samen te trekken, hoewel hun pupilreacties niet zo snel zijn als de onze. De diameter van een sint-jakobsschelpp pupil verandert met maximaal 50 procent, en de verwijding of samentrekking kan enkele minuten duren. Hun ogen hebben geen irissen zoals onze ogen, en in plaats daarvan veranderen de cellen in het hoornvlies van vorm door van dun en plat naar lang en lang te gaan. Deze samentrekkingen kunnen de kromming van het hoornvlies zelf veranderen, wat de mogelijkheid opent dat het oog van de Sint-Jakobsschelp van vorm verandert en op licht reageert op een manier die het mogelijk maakt scherpere beelden op het proximale netvlies te vormen.
“Het verandert echt het vermogen van dat oog en uiteindelijk het organisme om het type resolutie te kunnen hebben om zijn omgeving te zien,” zegt Jeanne Serb, een visie wetenschapper aan de Iowa State University.
Nu werkt Speiser om te begrijpen of de sint-jakobsschelpen in staat zijn om de kromming van de spiegel en het oog als geheel te veranderen, waardoor het in staat zou zijn om de focus van het beeld nog verder aan te passen. “De dynamische structuren van de ogen openen enkele nieuwe mogelijkheden voor wat je kunt doen met een op spiegels gebaseerd oog als dit,” zegt Speiser.
Adaptieve spiegels zijn niet het enige mysterie van het Sint-Jakobsschelpoog. “Het blijkt dat de ogen van Sint-Jakobsschelp drie keer zoveel opsines hebben als wij,” zegt Serb. Opsins zijn lichtgevoelige eiwitten die in de fotoreceptorcellen van het netvlies worden aangetroffen en die de omzetting van licht in elektrochemische signalen regelen. Wetenschappers weten niet of alle 12 schaaldiertjes opsines tot expressie komen in elk oog van een schaaldiertje of dat de ogen zich specialiseren in verschillende kanalen van het visuele spectrum. Sommige opsines kunnen tot expressie komen in het proximale netvlies, terwijl andere zich in het distale netvlies bevinden.
Serb’s team aan Iowa State bestudeert de opsines in Sint-Jakobsschelpen, kokkels en andere dieren. Tweekleppigen – weekdieren die leven in twee bij elkaar passende schelpen die met elkaar verbonden zijn door een scharnier – hebben al meerdere malen een vorm van een oog ontwikkeld. Sommige tweekleppigen hebben zelfs samengestelde ogen, of ogen met meerdere visuele eenheden, hoewel ze verschillen van de beter bekende samengestelde ogen van insecten. Door de verschillende opsines buiten de dieren te bestuderen, kan Serb hun absorptie meten en uiteindelijk begrijpen hoe ze in de verschillende dieren werken.
Ogen zijn waarschijnlijk minstens 50 of 60 keer geëvolueerd in alle dieren, en in veel gevallen verschilt de moleculaire onderbouwing van het gezichtsvermogen – de eiwitten die lichtsignalen vertalen naar elektrische signalen – nogal. “De grote evolutionaire vraag voor mij is: hoe evolueren deze eiwitten om licht te kunnen waarnemen? En vervolgens, hoe worden ze gespecificeerd naar de verschillende soorten lichtomgevingen waarin de dieren kunnen voorkomen?” vraagt Serb. Zij gelooft dat de opsines, in de meeste gevallen, vanuit een andere functie binnen het dier worden herbestemd om in de ogen te worden gebruikt.
Hoewel er een diversiteit is aan oogmorfologieën en fotoreceptoren bij de verschillende dieren, zijn de bouwstenen – de genen die de ontwikkeling van de ogen controleren – opmerkelijk gelijkaardig. Pax6 bijvoorbeeld is een ontwikkelingsgen dat van cruciaal belang is voor de ontwikkeling van de ogen bij zoogdieren, en het speelt een vergelijkbare rol bij de ontwikkeling van de ogen van Sint-Jakobsschelpen. In een recente voorpublicatie van hun studie stellen Andrew Swafford en Oakley dat deze gelijkenissen niet kunnen verklaren waarom vele oogtypes geëvolueerd zijn als reactie op door licht veroorzaakte stress. Ultraviolette schade veroorzaakt specifieke moleculaire veranderingen waartegen een organisme zich moet beschermen.
“Het was zo verrassend dat keer op keer, al deze componenten die worden gebruikt om ogen te bouwen, en ook worden gebruikt in het gezichtsvermogen, deze beschermende functies hebben,” zegt Oakley. In de diepe geschiedenis van deze componenten zijn genetische eigenschappen die reacties op licht-geïnduceerde stress teweegbrengen, zoals het repareren van schade door UV-straling of het detecteren van de bijproducten van UV-schade. Als de reeks genen die betrokken zijn bij het detecteren van en reageren op UV-schade eenmaal samen tot expressie komen, dan is het misschien gewoon een kwestie van het combineren van die onderdelen op een nieuwe manier waardoor je een oog krijgt, suggereren de onderzoekers.
“De stressfactor kan deze componenten misschien voor de eerste keer samenbrengen,” zegt Swafford. “En dus is de oorsprong van de interacties tussen deze verschillende componenten die tot het gezichtsvermogen leiden, meer toe te schrijven aan deze stressfactor. En als de componenten er eenmaal zijn, of het nu pigmenten of fotoreceptoren of lenscellen zijn, dan werkt natuurlijke selectie ze uit tot ogen.”
Hoe ze ook zijn gemaakt, jakobsschelpogen hebben een indrukwekkende functionaliteit, waarbij ze hun interne spiegels kromtrekken om licht scherp te stellen als een telescoop. Dus de volgende keer dat u van knoflookschelpen geniet, probeer u dan niet voor te stellen dat de schelpdieren naar u terugstaren.
