در نگاه نخست رنگهای قرمز و سبز تفاوت آشکاری با یکدیگر دارند، اما از دیدگاه زیستشناسی و نحوه پردازش آنها در چشم، شباهت بسیار زیادی میان این دو وجود دارد. پژوهشگران اکنون دریافتهاند که این شباهت حتی در سطح مولکولی نیز برقرار است و تنها تفاوت در سه اسید آمینه کافی است تا سلولهای مخروطی شبکیه برای حساسیت به نور قرمز یا سبز تنظیم شوند.
کوتا کاتایاما، متخصص بیوشیمی در مؤسسه فناوری ناگویا، درباره این پژوهش گفت: «این مطالعه نخستین ساختارهای سهبعدی رنگدانههای بیناییِ سلولهای مخروطیِ حساس به نور قرمز و سبز در پستانداران را در حالت تاریکی گزارش میکند.»
به گفته پژوهشگران، این یافتهها در بلندمدت میتواند به درک بهتر تأثیر تغییرات ژنتیکی بر ادراک رنگ، نقصهای دید رنگی و سایر اختلالات بینایی کمک کند.
انسانها دارای دید سهرنگ (تریکروماتیک) هستند؛ به این معنا که در شبکیه چشم خود سه نوع سلول مخروطی دارند که هر یک به طولموجهای متفاوت نور، یعنی قرمز، سبز و آبی، حساس هستند. ترکیب میلیونها سلول مخروطی به انسان امکان میدهد طیف گستردهای از رنگهای قابل مشاهده را تشخیص دهد.
البته همه جانوران از چنین تواناییای برخوردار نیستند. سگها دارای دید دورنگ (دایکروماتیک) هستند و رنگهای زرد و آبی را بهخوبی تشخیص میدهند، اما قادر به دیدن رنگهای قرمز و سبز نیستند. در مقابل، پرندگان از دید چهاررنگ (تتراکروماتیک) بهره میبرند و میتوانند رنگهایی را ببینند که برای انسان قابل تصور نیست. پژوهشگران در این زمینه اشاره میکنند که انسانها باید خود را خوششانس بدانند که میتوانند تفاوت میان یک سیب سبز «گرنی اسمیت» و یک سیب قرمز «رد دلیشز» را تشخیص دهند.
تمام سلولهای مخروطی چشم انسان نور را با استفاده از مولکولی مشترک به نام «۱۱-سیس-رتینال» جذب میکنند. تفاوت در طول موج نور جذبشده و در نتیجه رنگی که دیده میشود، به تغییرات بسیار کوچک در ساختار پروتئینهای این سلولها بازمیگردد.
محققان در مقاله خود نوشتهاند: «رنگدانههای حساس به قرمز و سبز به طور خاص جذاب هستند: آنها تنها در چند موقعیت اسید آمینه متفاوت هستند، با این حال پیکهای جذب نور آنها حدود ۳۰ نانومتر از هم جدا هستند و امکان تشخیص رنگ قرمز-سبز را فراهم میکنند.»
آنها افزودند: «با ترکیب میکروسکوپ الکترونی کرایو با طیفسنجی ارتعاشی و مدلسازی شیمیایی کوانتومی، هدف ما روشن کردن چگونگی تنظیم حساسیت طیفی رنگدانههای مخروطی بود.»
برای بررسی این موضوع، پژوهشگران از «ماکاک خرچنگخوار» (Macaca fascicularis) استفاده کردند؛ گونهای از نخستیسانان که از نظر بینایی سهرنگه شباهت زیادی به انسان دارد. آنها با بهرهگیری از میکروسکوپ الکترونی کرایو، تصاویری از رنگدانههای سلولهای مخروطی قرمز و سبز این حیوان تهیه کرده و سپس مدلهای دیجیتالی آنها را ساختند.
در مرحله بعد، پژوهشگران با استفاده از این مدلهای دیجیتال، نسخههایی از پروتئینها را که تفاوتهای جزئی با نمونه اصلی داشتند شبیهسازی کردند تا تأثیر این تغییرات بر جذب نور را بررسی کنند.
نتایج نشان داد که تقریباً تمام اختلاف ۳۰ نانومتری میان قلههای جذب طیفی مربوط به رنگهای قرمز و سبز، تنها ناشی از تغییر در سه اسید آمینه A۱۸۰S، F۲۷۷Y و A۲۸۵T است.
پژوهشگران همچنین دریافتند این اسیدهای آمینه از طریق تغییر شکل فیزیکی پروتئینها عمل نمیکنند. در عوض، آنها محیط الکترواستاتیکی اطراف خود را تغییر میدهند؛ تغییری که مشخص میکند چه طولموجهایی و با چه شدتی جذب شوند.
این بررسی همچنین ساختار تازهای را در رنگدانههای مخروطی آشکار کرد که میتواند توضیح دهد چرا بینایی رنگی انسان پس از قرار گرفتن طولانیمدت در محیطهای پرنور دچار «فرسودگی» نمیشود. به گفته محققان، سلولهای مخروطی پس از تحریک نوری به سرعت بازسازی میشوند و احتمالاً این فرآیند به لطف وجود «منفذی» تازه کشفشده در ساختار رنگدانهها امکانپذیر است. این منفذ در رودوپسین، رنگدانه سلولهای میلهای مسئول دید در نور کم، وجود ندارد.
محققان در جمعبندی نتایج خود نوشتند: «این یافتهها تفاوتهای عملکردی دیرینه در بینایی رنگ را به ویژگیهای ساختاری ملموس مرتبط میکنند.»
آنها در ادامه افزودند: «توالی کوچک با تغییر شکل میدان الکترواستاتیکی که بر کروموفور شبکیه عمل میکند، رنگ را تنظیم میکند، در حالی که مسیرهای دسترسی غشایی مجزا، تبادل کروموفور کارآمد و بازیابی سریع را ممکن میسازند.»
این پژوهش در نشریه علمی Science منتشر شده است.
