Ochiul, fie că este uman, fie că este animal, este cu adevărat unul dintre progresele cele mai sofisticate ale naturii, capabil de a converti lumina în semnale pe care creierul le poate interpreta ca imagini, totul petrecându-se în timp real.
Cercetătorii descoperă că bastonaşele retiniene au capacitatea de a detecta distribuţia numărului de fotoni
Cele mai multe dintre procese au loc în partea din spatele ochiului, unde sunt localizate două tipuri de fotoreceptori: bastonaşe şi conuri. Conurile sunt responsabile în primul rând pentru sensibilitatea ochiului la culoare, în timp ce bastonaşele, care sunt mult mai numeroase (în jur de 120 de milioane de ieşiri într-un singur ochi uman), sunt, în general, mult mai sensibile la lumină. Pentru a afla cât de sensibile sunt bastonaşele la lumină, cercetătorii din Singapore au studiat o singură celulă fotoreceptor de acest tip, prelevată de la o specie de broască broască africană, şi au găsit, aşa cum este descris în lucrarea lor publicată în Physical Review Letters, că aceste bastonaşe sunt capabile să discearnă şi să numere fotoni individuali, precum şi să determine coerenţa unor impulsuri luminoase foarte slabe.
(Stânga) Structura unei celule bastonaş retiniene. Fotonii absorbiţi în segmentul exterior provoacă o rearanjare a moleculelor de rodopsină, care iniţiază o secvenţă de evenimente chimice ce rezultă din excitarea unui semnal al nervului optic. (Dreapta) Imaginea microscopică a fibrelor de formă conică şi o micro-pipetă aspirator cu celula bastonaş restricţionată. Răspunsul celular la fotoni se măsoară cu pipeta, care acţionează ca un micro-electrod.
Credit: Physics Synopsis, DOI: 10.1103/Physics.5.103
Pentru a studia bastonaşele, echipa a folosit o pipetă micuţă, care a fost capabilă să ţină o singură celulă bastonaş păstrată într-o soluţie lichidă care a simulat mediul său de viaţă natural. Ei au plasat apoi un laser foarte micuţ chiar în faţa pipetei în care se afla celula bastonaş şi au îndreptat impulsuri de lumină spre aceasta. Deoarece pipeta şi de asemenea şi soluţia au servit ca un electrod pentru a permite măsurători, cercetătorii au fost capabili să măsoare cât de mult curent a fost produs de bastonaş ca răspuns la impulsurile de lumină.
Fiecare bastonaş are în vârf un segment care conţine foto-pigmentul rodopsină, o substanţă care suferă modificări de natură chimică în prezenţa luminii. În absenţa luminii, un curent constant de ioni curge în interior şi în afară; cu toate acestea, atunci când este detectată lumină, curentul de ioni este parţial alterat, cauzând polarizarea celulei, iar rezultatul constă în crearea unui semnal electric care este trimis prin intermediul nervului optic la creier.
În cadrul studiului, echipa a supus bastonaşul unei succesiuni rapide de impulsuri laser şi a constatat că acesta este în măsură să discearnă, adică poate măsura, diferenţele individuale de până la 1000 de fotoni pe puls. De asemenea, ei au mai constatat că bastonaşele au fost capabile să facă diferenţa dintre lumină coerentă (gradul în care undele luminoase sunt în fază) şi lumina "pseudotermală", caz în care undele luminoase sunt tăiate de un disc rotativ, până într-un asemenea grad încât cercetătorii cred că aceste bastonaşe vor fi în măsură să servească drept model pentru crearea de detectoare artificiale extrem de sensibile.
În cele din urmă, cercetătorii au descoperit că moleculele individuale de rodopsină sunt capabile să interacţioneze cu fotoni individuali, o constatare care demonstrează adevărata sensibilitate a bastonaşelor; sensibilitatea este atât de ridicată încât studiile ulterioare ale echipei de cercetători se vor concentra asupra utilizării lor în optica cuantică şi în comunicaţii.
Mai multe informaţii: Measurement of Photon Statistics with Live Photoreceptor Cells, Phys. Rev. Lett. 109, 113601 (2012) DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.113601
Rezumat
„Am analizat răspunsul electrofiziologic al unui fotoreceptor bastonaş izolat de Xenopus laevis stimulat de surse de lumină coerentă, respectiv pseudotermală. Folosind o tehnică de sucţiune cu electrod pentru înregistrări de celule individuale şi o fibră optică configurată pentru furnizarea luminii s-au putut face uşor măsurători ale caracteristicilor statistice majore ale răspunsului celulei bastonaş. Rezultatele indică diferenţe în răspunsurile medii ale celulelor bastonaş la lumină coerentă, respectiv pseudotermală de aceeaşi intensitate şi, de asemenea, diferenţe între raportul semnal-zgomot şi între funcţiile de ordinul al doilea de corelare a intensităţii. Aceste constatări ar trebui să fie relevante pentru studiile interdisciplinare care caută aplicaţii ale opticii cuantice în domeniul biologiei.”
Traducere de Liana Toma după retinal-rods-photon, cu acordul editorului.
