Zonder zuurstof sterft zenuwweefsel razendsnel af, dat is een ijzeren wet in de biologie. Toch hebben vogels een netvlies dat dag in, dag uit functioneert zonder ook maar een molecuul zuurstof te verbruiken. Hoe is dat mogelijk?
Al sinds de zeventiende eeuw proberen wetenschappers dit raadsel te ontcijferen. Deense onderzoekers, wier studie in Nature verscheen, hebben nu eindelijk de oplossing gevonden. En wie weet gaan mensen die een beroerte hebben gehad daar binnenkort wel de vruchten van plukken.
Een biologisch raadsel
Het netvlies is een verlengstuk van de hersenen en behoort tot de meest energieverslindende weefsels in het hele lichaam. Bij mensen en andere zoogdieren is het daarom dooraderd met een dicht netwerk van bloedvaatjes die zuurstof aanvoeren. Zonder zuurstof vallen zenuwcellen namelijk binnen enkele minuten uit. Vogels vormen daarop een opvallende uitzondering. Hun netvlies bevat geen bloedvaten. Dit doet wonderen voor hun scherpe zicht, omdat bloedvaten het invallende licht verstrooien.
Maar tegelijk roept het ook een fundamentele vraag op: hoe overleeft dat extreem energiehongerige weefsel in vredesnaam zonder zuurstof? “Ons vertrekpunt was eigenlijk heel simpel”, vertelt hoofdonderzoeker Christian Damsgaard van de Universiteit van Aarhus. “Volgens alles wat we weten over fysiologie zou dit weefsel helemaal niet kunnen functioneren.” Maar toch werken vogelogen uitstekend.
Pecten oculi
Eeuwenlang dachten wetenschappers dat een mysterieuze structuur in het vogeloog, de zogeheten pecten oculi, verantwoordelijk was. Dit kamvormige, sterk doorbloede orgaan is gekoppeld aan het glasachtig lichaam van het oog en zou zuurstof aan het netvlies leveren. Maar die aanname is nooit echt wetenschappelijk getest. Dat kwam vooral omdat het technisch bijna onmogelijk was om zuurstofmetingen te doen in een levend vogeloog.
“Je moet het dier in stabiele, normale omstandigheden houden terwijl je extreem delicate metingen uitvoert”, legt bioloog Jens Randel Nyengaard uit. In 2020 lukte dat eindelijk wél. En de uitkomst was ronduit schokkend: het netvlies van vogels krijgt helemaal geen zuurstof van de pecten. Sterker nog, ongeveer de helft van het netvlies verkeert permanent in een staat van zuurstofgebrek.
Energie zonder zuurstof
Maar waar haalt het netvlies dan zijn energie vandaan? Om dat te achterhalen nam het team geen halve maatregelen. Ze gingen jarenlang multidisciplinair te werk: een combinatie van fysiologie, moleculaire biologie, geavanceerde beeldvorming en computeranalyses leidde hen naar de oplossing. Met behulp van zogeheten spatial transcriptomics werd de activiteit van duizenden genen tot op de micrometer nauwkeurig in kaart gebracht.
“We keken niet naar een of twee genen, maar naar vijf- tot tienduizend tegelijk”, vertelt Damsgaard trots. “We maakten een soort moleculaire gps.” Daaruit bleek dat genen voor anaerobe glycolyse, een manier om energie te produceren zonder zuurstof, extreem actief zijn in de zuurstofloze delen van het netvlies. En dat is bijzonder, want deze vorm van energieopwekking levert per suikermolecuul zo’n vijftien keer minder energie op dan zuurstofverbranding.
Transportsysteem
“Zo doemde opeens een nieuw probleem op”, zegt Nyengaard. “Hoe kan een van de meest energievragende weefsels in het lichaam draaien op zo’n inefficiënt systeem?” Het antwoord leidde de onderzoekers opnieuw naar de pecten oculi. Radioactieve suikers lieten zien dat het netvlies van een vogel enorme hoeveelheden glucose opneemt, veel meer dan de rest van de hersenen.
De pecten bleek daarbij een sleutelrol te spelen. Het orgaan bleek niet als zuurstofpomp, maar als logistiek centrum te fungeren: het voert grote hoeveelheden suiker aan en voert melkzuur, een afvalproduct van anaerobe stofwisseling, weer af. “De pecten is geen zuurstofleverancier”, aldus Nyengaard. “Het is een transportsysteem: brandstof erin, afval eruit.” Hiermee wordt een eeuwenoude theorie omvergetrokken. “We halen als het ware een kaartenhuis omver en bouwen een nieuwe”, zegt Nyengaard. “Zo werkt wetenschap: inzichten zijn nooit definitief.”
Beroertemedicatie
Evolutionair gezien levert een zuurstofloos netvlies een groot voordeel op: scherper zicht. Die eigenschap ontstond waarschijnlijk al bij de dinosauriërs, waaruit de moderne vogel is voortgekomen. Hoewel het om fundamenteel onderzoek gaat, zien de onderzoekers ook praktische mogelijkheden.
“Bij beroertes raken menselijke weefsels beschadigd doordat zuurstof wegvalt en afvalstoffen zich opstapelen”, vertelt Nyengaard. “In het vogelnetvlies zien we een totaal andere manier van werken. De natuur heeft bij vogels een fysiologisch probleem opgelost met behulp van zuurstofloze energieopwekking. Als we dat mechanisme begrijpen, kunnen we mogelijk nieuwe manieren bedenken om schade door zuurstofgebrek te behandelen.”
