Kui viibime täiesti pimedas ruumis ja suleme silmad, tundub see meie teadvusele täieliku puhkehetkena. On igati loomulik eeldada, et kui ümbritsevat valgust pole vaja vastu võtta, on silma tundlikud süsteemid ajutiselt peatunud ning ootavad hommikut.
Kuid rakubioloogia vaatenurgast on olukord hoopis teistsugune ja märksa dünaamilisem.
Pidev tegevus silmapõhjas
Meie silmapõhjas toimub pimeduses pidev ja tihedalt koordineeritud füsioloogiline tegevus. Silma võrkkest ehk reetina, mis on arengulooliselt kesknärvisüsteemi pikendus, sisaldab enam kui 100 miljonit valgustundlikku rakku, mis töötavad katkematult.
Selle asemel, et pimeduses puhata, tarbivad need rakud hapnikku ja toitaineid erakordselt suures koguses. Bioloogilise energeetika mõttes on pimeduses valmisoleku säilitamine üks kõige energiakulukamaid ülesandeid, mida nägemissüsteem täidab.
Uurijad nimetavad seda pidevat elektrilist aktiivsust "pimeduse vooluks" (inglise keeles dark current). Tegemist on elegantse ja peene mehhanismiga, mis hoiab meie silmad pidevas ja koheses valmisolekus ümbritsevat märgata.
Pimeduse voolu olemus
Et mõista, miks pimedus nõuab nii palju energiat, tuleb vaadata, kuidas kepikesed ja kolvikesed – silma valgustundlikud retseptorid – rakulisel tasandil toimivad.
Enamikus meie meeleelundites on retseptorrakud vaikimisi passiivses olekus ja aktiveeruvad alles välise ärritaja mõjul. Näiteks nahas asuvad puuteretseptorid ootavad füüsilist kontakti ja sisekõrva karvrakud helilaineid. Ärituse korral need rakud depolariseeruvad, tekitades elektrilise signaali, mis edastatakse ajju.
Silma valgustundlikud rakud töötavad aga vastupidisel põhimõttel.
Täielikus pimeduses on kepikesed ja kolvikesed suhteliselt depolariseerunud olekus, säilitades püsivat membraanipotentsiaali umbes -40 millivolti. Selle potentsiaali hoidmiseks hoiab rakk tsüklilise guanosiinmonofosfaadi (cGMP) taset kõrgena, mis hoiab spetsiaalsed naatriumi- ja kaltsiumikanalid avatuna. Seda pidevat positiivsete ioonide sissevoolu nimetataksegi pimeduse vooluks.
Kuna need kanalid on pimeduses avatud, on rakk pidevalt aktiivne ja vabastab naaberrakkudele ehk bipolaarsetele närvirakkudele ühtlase voona glutamaati, mis toimib siin pidurdava ülekandeainena.
Energiakulud ja ioonipumbad
Selleks, et ioonide vool saaks toimida ilma raku sisekeskkonna tasakaalu rikkumata, on kepikestes ja kolvikestes väga tihedalt spetsiaalseid naatrium-kaaliumpumpasid (Na+-K+ ATPaas). Need pumbad vajavad pidevalt adenosiintrifosfaati (ATP) ehk raku peamist energiaallikat, et ioone tagasi läbi membraani pumbata.
Kui nägemispigmendile langeb valgusosake ehk footon, käivitub kiire biokeemiline ahelreaktsioon. See protsess aktiveerib ensüümi nimega fosfodiesteraas, mis lagundab cGMP ja põhjustab ioonikanalite sulgumise. Kuna naatriumi ja kaltsiumi sissevool peatub, muutub raku membraanipotentsiaal negatiivsemaks – seda nimetatakse hüperpolarisatsiooniks.
Hüperpolaritsatsiooni tulemusena väheneb glutamaadi vabanemine närvisünapsisse. Seega toimib valgus silma jaoks signaalina, mis vähendab raku aktiivsust ja pidurdava aine eritamist. Pimedus on seevastu retseptorite jaoks aktiivne olek, mis nõuab pidevat bioloogilist tööd ja toitaineid.
Toetav vereringevõrk silma taga
Sellise intensiivse ainevahetuse tagamiseks on loodus loonud erakordselt tiheda veresoonte võrgustiku. Valgustundlikud rakud asuvad võrkkesta välimises kihis, otse suure veresoonte kihi ehk soonkesta (inglise keeles choroid) vahetus läheduses.
Soonkest on üks kõige suurema verevooluga kudesid inimese kehas, kui arvestada voolu mahtu ühe grammi koe kohta. See tagab, et võrkkesta välimine osa saab katkematult hapnikku ja glükoosi, häirimata sealjuures meie nägemist.
Kuna valgus peab läbima silma eesmised osad ja võrkkesta sisemised närvikihid, et jõuda valgustundlike rakkudeni, peab peamine optiline tee olema täiesti läbipaistev. Kui suured veresooned asuksid otse nägemisvälja ees, varjutaksid need meie nägemisvälja. Soonkesta paigutus valgustundlike rakkude taha lahendab selle probleemi ideaalselt: valgus saabub takistusteta, samal ajal kui rakud saavad vajaliku elutegevuse toetuse.
Suur andmetöötlus väikeses ruumis
Selle süsteemi mastaabid on hämmastavad. Inimese ühes võrkkestas on ligikaudu 100 kuni 120 miljonit kepikest, mis tagavad nägemise hämaras, ning umbes 6 miljonit kolvikest, mis vastutavad värvide ja terava päevase nägemise eest.
Kuigi on lihtne võrrelda neid rakke digikaamera pikslitega, toimib bioloogiline nägemine palju keerukamalt kui passiivne sensorvõrk. Võrkkest on tegelikult arenenud närvikud. Enne kui signaal jõuab nägemisnärvini, analüüsib ja võrdleb kohalik närvirakkude võrgustik (bipolaarsed, horisontaalsed ja amakriinsed rakud) elektrilisi potentsiaale otse silmapõhjas.
See kohalik eeltöötlus võimaldab võrkkestal tuvastada kontraste, piirjooni ja liikumist juba enne, kui info silmast lahkub. Lõpuks koondatakse ja pakitakse enam kui 100 miljoni retseptori signaalid umbes ühte miljonisse nägemisnärvi kiudu. Silm ei tööta nagu passiivne kaamera, vaid pigem nagu sensor, kuhu on sisse ehitatud pisike ja tõhus arvuti.
Nägemine kui kogu keha tervise peegeldus
Kuna nägemissüsteem sõltub nii tugevalt heast ainevahetusest ja vereringest, on silmade seisund tihedalt seotud kogu organismi tervisega.
Silma tööd toetavad otseselt mitmed teised kehasüsteemid:
Veresoonkonna tervis. Soonkesta suure verevoolu tõttu on silma peenikesed veresooned väga tundlikud üldise vereringe muutuste suhtes. Normaalne vererõhk tagab toitainete sujuva kohalejõudmise.
Ainevahetuse stabiilsus. Kuna võrkkest vajab pidevalt energiat, on stabiilne glükoosi ainevahetus silmadele ülioluline. Pikaajalised ainevahetushäired võivad aja jooksul kahjustada silmapõhja veresooni.
Puhkus ja taastumine. Nägemisraja lõpp-punkt asub sügaval ajukoores, kus suured närvivõrgud tõlgendavad saabuvaid signaale. Peaaju vajab aga regulaarset und ja puhkust oma kognitiivse ja metaboolse tasakaalu säilitamiseks.
Silma pinna niisutus. Isegi nii lihtne tegevus nagu pilgutamine on määrava tähtsusega. Tavaliselt pilgutab inimene umbes 15 kuni 20 korda minutis, mis hoiab pisarakile stabiilsena ja optilise pinna puhtana. Nutiseadmete või arvutiekraanide pikaajalisel jälgimisel pilgutamise sagedus väheneb märgatavalt, mis võib põhjustada silmade kuivust ja ajutist nägemise hägustumist.
Need seosed näitavad selgelt, et hea nägemine ei ole ainult silmade, vaid kogu organismi ühine saavutus.
Otsene aken organismi sisemusse
Silma läbipaistev ehitus pakub meditsiinile ainulaadset võimalust. Kuna sarvkest ja lääts on läbipaistvad, on silmapõhi ainus koht inimese kehas, kus arst saab vaadelda elavat närvikude ja veresooni ilma kirurgilise sekkumiseta.
Põhjaliku silmakontrolli käigus saab spetsialist hinnata võrkkesta väikeste veresoonte ja nägemisnärvi seisundit. Kuna sellised kroonilised haigused nagu suhkurtõbi või kõrgvererõhktõbi kahjustavad sageli esmalt just peenemaid veresooni, võib silmapõhja uurimine avastada esimesi märke nendest tervisemuredest ammu enne muude sümptomite tekkimist.
Pilk nägemise imele uue nurga alt
Me kipume mõtlema nägemisest kui passiivsest tegevusest – avame silmad ja maailm lihtsalt on meie ees.
Tegelikult on nägemine aktiivne ja loov protsess. Aju võtab vastu pakitud ja eelnevalt töödeldud närvisignaalide voo ning kombineerib selle varasemate kogemuste, silmaliigutuste ja tasakaalusüsteemi infoga, luues sellest ühtse ja püsiva pildi ümbritsevast.
Kui järgmine kord pimedas toas puhkate, on hea meeles pidada seda vaikset ja märkamatut tööd, mis toimub teie silmapõhjas. Sel ajal kui teie keha taastub, hoiavad valgustundlikud rakud pimeduse voolu abil nägemissüsteemi täielikus valmisolekus, et võtta vastu järgmine valgusekiir.
Allikad: National Eye Institute (NEI) — Kuidas silmad töötavad ja silma ehitus. NCBI Bookshelf — "Inimese võrkkesta andmed ja arvud" ja "Fototransduktsioon". Physiological Reviews — "Võrkkesta füsioloogia ja vereringe" ning "Soonkesta mitmekülgsed funktsioonid". Zürichi Ülikool — Retinaalrakkude bioloogia laboratoorium.
