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Default @ March 9, 2012

La evolución de los ojos: De luz oscura a la vista detallada

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Las larvas de la marina de cerdas Platynereis gusano dumerilii orientan a sí mismos utilizando la luz. Al principio de su desarrollo, estas larvas nadan hacia la luz para utilizar las corrientes superficiales para su dispersión. Las larvas mayores se alejan de la luz y nadar hasta el fondo del mar, donde se convierten en gusanos adultos. Los científicos del Instituto Max Planck de Biología del Desarrollo en Tubinga han descubierto que este cambio en la respuesta conductual a la luz se acopla a diferentes sistemas neuronales que subyacen a los ojos. Los científicos han reconstruido el primer mapa neuronal de un sistema visual, desde la entrada del estímulo de luz hasta la reacción de comportamiento - el giro direccional de la natación larva. El uso de este mapa neuronal, los biólogos pueden vislumbrar la evolución de la visión.

La evolución de los ojos: De luz oscura a la vista detallada


Gráfico de Neuronal: el sistema visual de 3 días de edad gusanos de cerdas consta de 71 neuronas que están conectados por más de 1.000 sinapsis.

Crédito: © Instituto Max Planck de Biología del Desarrollo

Phototaxis, el movimiento hacia o lejos de una fuente de luz, está muy extendida entre larvas de invertebrados marinos. Durante su desarrollo, muchos interruptor de larvas de positivo (movimiento hacia la luz) a fototaxis negativo. El mecanismo subyacente de fototaxis tiene que única fecha ha descrito para la etapa larval temprana de Platynereis dumerilii. Más adelante en su desarrollo, las larvas se desarrollan ojos adicionales. Con estos nuevos ojos viene la capacidad de cambiar entre fototaxis positivo y negativo. "En lugar de sólo nadando hacia la luz, las larvas a menudo muestran fototaxis negativo y nadar lejos de la luz", dijo Gáspár Jékely, jefe del grupo de investigación "Neurobiología de la Marina zooplancton."

Durante los dos primeros días de su vida, la descendencia del gusano de cerdas tiene los ojos más simples en el planeta: en cada lado de la cabeza diminuta es una sola de las células fotorreceptoras, junto con las células de pigmento un sombreado. En 2008, Jékely y sus compañeros de trabajo de la Europea de Biología Molecular (EMBL) en Heidelberg descubrieron que esta células fotorreceptoras se conecta directamente al motor de conducción de las larvas, una banda de cilios, un collar directamente situada por debajo de la headregion. Cuando la luz llega a la de las células fotorreceptoras, larvas impulsar adelante en espirales, siempre hacia la fuente del estímulo.

Sin embargo, después de 3 días de desarrollo, estos ojos larvas simples ya no median phototaxis .. En esta etapa, dos pares de ojos más sofisticados aparecen en el lado superior de la cabeza - los precursores de los ojos adultos. Estos nuevos ojos se componen de varias células fotorreceptoras, una taza de pigmentos e incluso una lente simple. Por otra parte, una red neuronal sencilla desarrolla que los procesos y transduce estímulos luminosos.

Los científicos en el equipo de Jékely estudiaron esta red neuronal en un mayor detalle mediante un microscopio electrónico. En un mapa detallado de la red neuronal visual de una larva 3 días de edad se identificaron 71 neuronas que están conectados por más de 1.000 conexiones neuronales, llamadas sinapsis. Los científicos descubrieron que la señal luminosa se transmite aún a los cilios, pero ahora también llega a la musculatura cuerpo de la larva. Además, los ojos de los dos lados del cuerpo también están conectados a nivel neuronal.

"Hemos podido demostrar con experimentos de comportamiento que el estímulo de luz activa la musculatura del cuerpo, de tal manera que hace que la larva a alejarse de la luz", dice Nadine Randel, primer autor del estudio. Durante el experimento, el viejo larvas de 3 días nadaba en un recipiente transparente y se ilumina sólo desde un lado. Como resultado, las larvas se inclinó su cuerpo y nadaba en una curva lejos de la luz. Los científicos también bloquearon farmacológicamente la comunicación neuronal entre las células fotorreceptoras y musculatura. Aunque estos animales tratados todavía podían nadar normalmente, ya no reaccionaron a la fuente de luz.

Se requieren las conexiones neuronales entre los ojos a cada lado del cuerpo de la resolución espacial. Además, los científicos pudieron identificar ciertas neuronas, que bloquean la señal de la célula de los fotorreceptores de los lados opuestos de la larva. "Esto mejora el contraste entre la luz y la oscuridad y mejora fototaxis", explica Randel.

Por primera vez, los biólogos del desarrollo de Tübingen describir una red neuronal completa de un sistema visual simple del estímulo a la salida del comportamiento. También ganaron más visión más profunda de la evolución de los ojos. Los ojos simples, que median fototaxis temprano en la larva, constan de dos celdas correspondientes a la idea de Charles Darwin de la "proto-ojo", el precursor de todas las miradas existentes. Los cuatro ojos que aparecen en el antiguo larva 3 días representan una forma avanzada de este principio proto-ojo. "Es como si pudiéramos observar varias etapas de la evolución del ojo en un solo animal", dice Jékely. "Creemos que los primeros ojos probablemente evolucionaron para realizar fototaxis - más tarde, los ojos evolucionaron que podría reconocer objetos."

Probablemente, los primeros ojos simples de la evolución sólo podían discriminar un brillante de un campo oscuro. Tales ojos pueden representar, no obstante, el punto de partida para la evolución de los sistemas visuales más complejas, como por ejemplo, los ojos humanos.