Nhìn mà không cần dùng mắt - thế giới bất ngờ của các tế bào cảm quang phi thị giác

Bình luận Văn Thiện • 08:01, 24/02/22

Giúp NTDVN sửa lỗi

Những người trong chúng ta được trời phú cho thị giác bình thường đã quen với việc nghĩ rằng đôi mắt của chúng ta là yếu tố quan trọng đối với cách chúng ta trải nghiệm thế giới. Nhưng con người chúng ta là những sinh vật có khả năng thị giác khác thường...

Thị giác là một hình thức cảm quang - tức là cảm nhận ánh sáng - tiên tiến. Nhưng chúng ta cũng trải nghiệm các hình thức cảm quang khác thô sơ hơn trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Ví dụ, tất cả chúng ta đều thấy vui sướng khi cảm nhận sự ấm áp do ánh nắng mặt trời gây ra trên làn da của mình. Trong trường hợp này các tế bào ở da sử dụng nhiệt để cảm nhận mà không cần mắt hoặc thậm chí các tế bào cảm quang đặc biệt.

Nhưng trong những thập kỷ gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng nhiều loài động vật - bao gồm cả con người - có các phân tử phát hiện ánh sáng chuyên biệt ở những nơi không thể ngờ tới, bên ngoài mắt. Những “tế bào cảm quang ngoài mắt” này thường được tìm thấy trong hệ thần kinh trung ương hoặc ở da, nhưng cũng thường thấy ở các cơ quan nội tạng. Các phân tử cảm nhận ánh sáng đang làm gì ở những nơi ngoài mắt này?

Thị lực phụ thuộc vào việc phát hiện ánh sáng

Tất cả các tế bào thị giác ở động vật phát hiện ánh sáng bằng cách sử dụng một họ protein, được gọi là opsin. Các protein này lấy một phân tử nhạy cảm với ánh sáng - có nguồn gốc từ vitamin A - thay đổi cấu trúc của nó khi tiếp xúc với ánh sáng. Sau đó, opsin thay đổi hình dạng của chính nó và bật các đường truyền tín hiệu trong các tế bào thụ cảm ánh sáng, nơi cuối cùng gửi một thông điệp đến não rằng ánh sáng đã được phát hiện.

Hình ảnh kính hiển vi tiêu điểm của các tế bào cảm quang hình que (xanh lục) và hình nón (đỏ) trong võng mạc của con người. (Ảnh: Robert Fariss, Viện Mắt Quốc gia, NIH, CC BY)
Hình ảnh kính hiển vi tiêu điểm của các tế bào cảm quang hình que (xanh lục) và hình nón (đỏ) trong võng mạc của con người. (Ảnh: Robert Fariss, Viện Mắt Quốc gia, NIH, CC BY)

Nhìn chung thị giác có ý thức của chúng ta bắt nguồn từ các tế bào cảm quang trong võng mạc, lớp nhạy cảm với ánh sáng ở phía sau nhãn cầu của chúng ta. Ở động vật có xương sống, các tế bào phát hiện ánh sáng có hình dạng giống như hình que hoặc hình nón.

Chúng ta đã biết từ lâu rằng các động vật có xương sống khác có các tế bào cảm quang bổ sung trong não của chúng. Nhưng các nhà khoa học vẫn cho rằng các tế bào hình que và hình nón đã là toàn bộ câu chuyện về thị giác của động vật có vú. Do đó, phát hiện vào đầu những năm 2000 của nhóm David Berson tại Đại học Brown về các tế bào khác trong võng mạc chuột phản ứng với ánh sáng đã gây chấn động trong giới khoa học

Kỳ lạ hơn nữa là những khám phá liên quan trong nhiều phòng thí nghiệm chứng minh rằng những tế bào này chứa một loại protein opsin mới được gọi là melanopsin, chưa từng thấy ở động vật có xương sống (nhưng tương tự như ở nhiều động vật không xương sống). Chúng dường như không tham gia vào thị giác có ý thức.

Chúng ta khó có thể gọi chúng là tế bào ngoài mắt vì chúng ở ngay trong mắt. Thay vào đó, chúng thường được gọi là các tế bào cảm quang "phi thị giác". Đó là thuật ngữ mà các nhà nghiên cứu sử dụng cho tất cả các tế bào cảm quang của động vật không liên quan đến các đường dẫn hình ảnh trong hệ thần kinh.

Vì vậy, bây giờ chúng ta biết có những tế bào cảm quang phi thị giác trong mắt ở nhiều loài động vật. Nhưng liệu chúng ta có thể tìm thấy chúng ở những chỗ khác trên khắp cơ thể không?

Săn lùng các tế bào cảm quang ngoài mắt

Nói chung, việc xác định một tế bào cảm quang ngoài mắt tiềm năng có nghĩa là tìm kiếm các protein có thể phát hiện ánh sáng, các opsin. Sự ra đời của các công nghệ di truyền phân tử hiệu quả và rẻ tiền đã khiến việc tìm kiếm opsin trở thành một ngành công nghiệp nhỏ trong các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới.

Các tế bào có chứa opsin có thể là các tế bào cảm quang vẫn đang hoạt động, nhưng các nhà nghiên cứu sử dụng các bài kiểm tra sinh lý hoặc hành vi để xác nhận điều này. Ví dụ, họ có thể tìm kiếm những thay đổi về điện hoặc tìm kiếm sự thay đổi trong hoạt động của động vật khi để các tế bào này tiếp xúc với ánh sáng.

Một tế bào cảm quang trong não của cua móng ngựa. Màu xanh lá cây cho thấy sự hiện diện của phân tử cảm quang peropsin. Màng trong tế bào phản ứng với ánh sáng có màu đỏ. (Ảnh: Barbara Battelle, CC BY-ND)
Một tế bào cảm quang trong não của cua móng ngựa. Màu xanh lá cây cho thấy sự hiện diện của phân tử cảm quang peropsin. Màng trong tế bào phản ứng với ánh sáng có màu đỏ. (Ảnh: Barbara Battelle, CC BY-ND)

Các nhà khoa học đã tìm thấy tế bào cảm quang ngoài mắt thường nằm ở hệ thần kinh trung ương. Hầu hết tất cả các loài động vật đều có một số loại tế bào này trong não và thường là cả trong dây thần kinh.

Da của động vật là nơi chúng ta nhìn thấy hầu hết các thụ thể ánh sáng khác, đặc biệt là trong các tế bào thay đổi màu sắc đang hoạt động hay các tế bào sắc tố. Đây là những đốm màu đen, nâu hoặc màu sáng trên thân nhiều loài cá, cua hoặc ếch. Chúng đạt mức phát triển cao nhất trong lớp các loài động vật chân đầu như bạch tuộc, mực và mực nang. Động vật chủ động kiểm soát màu sắc hoặc hoa văn của chúng vì một số lý do, thường là để ngụy trang hoặc để tạo ra các tín hiệu sáng sủa, nổi bật để gây hấn hoặc thu hút bạn tình.

Đáng ngạc nhiên là có một loại phân tử nhạy cảm với ánh sáng thứ hai ngoài opsin, chưa bao giờ được sử dụng cho thị giác (theo như chúng ta biết). Chúng xuất hiện trong một số cấu trúc thần kinh, chẳng hạn như não hoặc râu của một số loài côn trùng và thậm chí trong võng mạc của chim. Chúng được gọi là những cryptochromes, có chức năng và cách thức hoạt động vẫn chưa được hiểu rõ. Cryptochromes ban đầu được phát hiện ở thực vật, nơi chúng kiểm soát sự tăng trưởng và thay đổi sinh sản hàng năm.

Tế bào sắc tố mực trong da phát hiện ánh sáng. (Ảnh: Alexandra Kingston, CC BY-ND)
Tế bào sắc tố mực trong da phát hiện ánh sáng. (Ảnh: Alexandra Kingston, CC BY-ND)

Tại sao lại cần các tế bào phát hiện ánh sáng ngoài mắt?

Bây giờ chúng ta biết rằng những tế bào cảm quang này có thể được tìm thấy trên khắp cơ thể động vật, chúng thực sự đang làm gì? Rõ ràng, chức năng của chúng phụ thuộc một phần vào vị trí của chúng.

Nói chung, thông qua việc cảm nhận ánh sáng, chúng giúp điều chỉnh hành vi ở mức độ hạ ý thức, không yêu cầu phải có hiểu biết cực kỳ chính xác về vị trí của nguồn sáng trong không gian hoặc thời gian. Ví dụ, các chu kỳ hoạt động hàng ngày như ngủ và thức, tâm trạng, nhiệt độ cơ thể và nhiều chu kỳ hoạt động bên trong khác được đồng bộ hóa với sự thay đổi của ngày và đêm.

Đồng hồ sinh học duy trì các chu kỳ sinh lý đều đặn - và gây ra những khó chịu khi bị chậm máy bay - gần như luôn được kiểm soát bởi các tế bào cảm quang này. Các thụ thể này cũng rất quan trọng đối với việc mở và đóng đồng tử của mắt để giúp điều chỉnh các mức độ ánh sáng khác nhau. Các tế bào cảm quang trên da giống như ở cá hoặc bạch tuộc thường kiểm soát các biến thể về màu sắc và hoa văn.

Ở một số loài động vật, chúng có một nhiệm vụ khá khác biệt và khá tuyệt vời - cung cấp khả năng nhận biết từ trường, khả năng phát hiện ra từ trường của Trái đất. Khả năng này dựa trên các cryptochromes, là nền tảng cho các cơ chế định hướng từ trường ở các loài động vật khác nhau như chim và gián.

Con người cũng có khả năng cảm quang phi thị giác

Với việc phát hiện ra các tế bào võng mạc nhạy cảm với ánh sáng ngoài tế bào hình que và tế bào hình nón trong võng mạc của động vật có vú, rõ ràng con người cũng phải sử dụng các con đường phi thị giác để kiểm soát hành vi và chức năng của mình.

Kích thước đồng tử thay đổi theo sự thay đổi ánh sáng, ngay cả ở những người mù. Một nghiên cứu chung giữa Anh và Mỹ được công bố năm 2007 cho thấy những bệnh nhân bị mất toàn bộ tế bào hình que và tế bào hình nón do rối loạn di truyền vẫn có thể có nhịp điệu hàng ngày và đồng tử phản ứng với ánh sáng. Một bệnh nhân thậm chí có thể báo cáo cảm giác về “độ sáng” khi được chiếu ánh sáng xanh lam, ánh sáng này sẽ kích thích các thụ thể quang không hình que, không hình nón của võng mạc.

Nghiên cứu gần đây với loài gặm nhấm tại Đại học Johns Hopkins bởi nhóm của Samer Hattar cho thấy rằng các con đường phi thị giác có thể điều chỉnh tâm trạng, khả năng học tập và thậm chí là độ nhạy của thị giác có ý thức.

Một tế bào thần kinh cảm quang trong võng mạc của chuột. Màu xanh lá cây cho thấy vị trí của sắc tố cảm quang melanopsin, sắc tố này chịu trách nhiệm cho hầu hết quá trình cảm quang phi thị giác ở động vật có vú. (Ảnh: Maureen E. Stabio, CC BY-ND)
Một tế bào thần kinh cảm quang trong võng mạc của chuột. Màu xanh lá cây cho thấy vị trí của sắc tố cảm quang melanopsin, sắc tố này chịu trách nhiệm cho hầu hết quá trình cảm quang phi thị giác ở động vật có vú. (Ảnh: Maureen E. Stabio, CC BY-ND)

Cuối cùng, một phát hiện bất ngờ gần đây trong nghiên cứu được dẫn đầu bởi Solomon Snyder và Dan Berkowitz, cũng tại Đại học Johns Hopkins, đã phát hiện ra rằng các mạch máu ở chuột có chứa melanopsin, loại opsin được sử dụng trong quá trình cảm quang phi thị giác tại võng mạc. Họ phát hiện ra rằng loại protein nhạy cảm với ánh sáng này có thể điều chỉnh sự co và giãn của các mạch máu. Bởi vì con người có thể có cùng một hệ thống, cho nên điều này có thể giải thích phần nào sự gia tăng các cơn đau tim vào buổi sáng, có lẽ liên quan đến sự thay đổi huyết áp xảy ra vào thời điểm đó.

Như vậy khả năng phát hiện ánh sáng phi thị giác là phổ biến và có ý nghĩa quan trọng trong cuộc sống của động vật. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tiếp tục gỡ rối những ảnh hưởng của nó đối với sức khỏe và hạnh phúc của con người.

Văn Thiện

Theo The Conversation

Bạn bình luận gì về tin này?

Khoa học Nhân thể


BÀI CHỌN LỌC

Nhìn mà không cần dùng mắt - thế giới bất ngờ của các tế bào cảm quang phi thị giác