In 2019 zal, als alles volgens plan verloopt, de lang uitgestelde James Webb-ruimtetelescoop eindelijk in een baan om de aarde worden gebracht. Eenmaal in elkaar gezet, zal het een array van 18 zeshoekige spiegels gebruiken om het licht van verre sterrenstelsels te verzamelen en te focussen. Dit ontwerp met gesegmenteerde spiegels werd in de jaren tachtig ontwikkeld en is zo succesvol dat het zal worden toegepast in bijna alle grote telescopen die in de nabije toekomst zullen worden gebouwd.
Maar zoals altijd was de natuur er eerst. Al miljoenen jaren kijken jakobsschelpen naar de wereld met tientallen ogen, die elk een gesegmenteerde spiegel hebben die griezelig veel lijkt op die in onze grootste telescopen. En wetenschappers hebben er zojuist voor het eerst een goed kunnen bekijken.
Ja, die sint-jakobsschelpen – de in de pan gebakken pucks van wit vlees die onze eetborden sieren. Die pucks zijn gewoon de spieren die de dieren gebruiken om hun mooie schelpen te sluiten. Kijk naar een volle, levende sint-jakobsschelp, en je ziet een heel ander dier. En dat dier kijkt je recht aan, met tientallen ogen die de vlezige mantel aan de binnenkant van zijn schelp omzomen. Sommige soorten hebben tot 200 ogen. Anderen hebben elektrisch-blauwe ogen.
In de ogen, verdiept de vreemdheid zich. Wanneer licht een menselijk oog binnenvalt, gaat het door een lens, die het focust op het netvlies-een laag van lichtgevoelige cellen. Als het licht in het oog van een jakobsschelp valt, gaat het door een lensachtige structuur, die … niets schijnt te doen. Dan gaat het door twee op elkaar gelaagde netvliezen. Uiteindelijk komt het op een gebogen spiegel achterin het oog, die het weerkaatst op het netvlies. Het is deze spiegel, en niet de lens, die het binnenkomende licht scherp stelt, ongeveer zoals de gesegmenteerde telescopen dat doen.
Michael Land van de Universiteit van Sussex ontdekte veel van dit alles in de jaren zestig, door de ogen zorgvuldig onder een microscoop te bekijken, en de weg te traceren die het licht daarin moet afleggen. Hij identificeerde de spiegel, toonde aan dat deze bestaat uit gelaagde kristallen, en suggereerde dat de kristallen gemaakt zijn van guanine – een van de bouwstenen van DNA. “Het is indrukwekkend hoe Land gelijk had over zo’n beetje alles, vanuit een vrij eenvoudige benadering,” zegt Daniel Speiser van de Universiteit van South Carolina, die ook Sint-Jakobsschelp ogen bestudeert. “Maar niemand heeft eerder een goede blik op een intacte spiegel gekregen.”
More Stories
Het probleem is dat krachtige microscopen de neiging hebben om monsters uit te drogen tijdens het analyseren ervan, en dat zou de plaatsing van de kristallen van de spiegel ruïneren. Lia Addadi van het Weizmann Institute of Science heeft nu een manier gevonden om dit probleem te omzeilen. Haar team, met onder meer Benjamin Palmer en Gavin Taylor, gebruikte een microscoop die monsters snel bevriest, zodat alles binnenin op de juiste plaats blijft. Zij hebben eindelijk de structuur van de spiegel in glorieus detail gereconstrueerd, veel van Land’s ideeën bevestigend, en andere nader ingevuld.
De spiegel bestaat uit platte, vierkante guanine kristallen, elk een miljoenste van een meter breed. Ze vormen samen een schaakbordachtig raster. 20 tot 30 van deze rasters worden dan op elkaar gestapeld, met een met vloeistof gevulde spleet ertussen. En de lagen zijn zo gerangschikt dat de vierkanten in elke laag direct onder de vierkanten in de laag erboven liggen. De kristallen en de tussenruimten zijn respectievelijk 74 en 86 miljardste meter dik, en dankzij deze precieze afstanden is de spiegel als geheel zeer goed in staat om blauwgroen licht te weerkaatsen – de kleur die de onderwaterhabitat van de Sint-Jakobsschelp domineert.
De hele structuur is een masterclass in precisietechniek. “Als er een elegante fysische oplossing is, is het evolutionaire proces heel goed in het vinden daarvan”, zegt Alison Sweeney, een fysicus aan de Universiteit van Pennsylvania die het gezichtsvermogen van dieren bestudeert.
Deze precisie is des te opmerkelijker omdat guaninekristallen zich van nature niet tot dunne vierkanten vormen. Als je ze in het lab kweekt, krijg je een brokkelig prisma. Het is duidelijk dat de sint-jakobsschelp de groei van deze kristallen actief controleert en ze vorm geeft terwijl ze zich vormen. Guanine kristallen groeien in lagen, en Addadi denkt dat de coquille op de een of andere manier de oriëntatie van elke laag 90 graden verschuift ten opzichte van de lagen erboven en eronder. Als de lagen naar buiten groeien, doen ze dat in slechts vier richtingen, waardoor een vierkant ontstaat. Hoe het dat doet is een mysterie, net als al het andere over de manier waarop de spiegels zich vormen.
Ook, de spiegel is geen levenloze structuur in het oog. Het is een levend ding. De vierkante kristallen groeien in de cellen van het oog van de Sint-Jakobsschelp en vullen ze op. Het zijn de cellen die dan samenvloeien om de lagen te vormen. “De cellen kunnen niet dood zijn”, zegt Addadi, “anders zou het hele ding uit elkaar vallen.” De cellen moeten dus niet alleen de groei van de kristallen binnenin controleren, maar ze moeten ook met elkaar communiceren om zichzelf precies zo te rangschikken. “Hoe ze dat doen? Ik weet het echt niet,” voegt ze eraan toe.
Wat hun truc ook is, het levert duidelijk resultaten op. Het gezichtsvermogen van de jakobsschelp zal dat van ons niet snel evenaren, maar het is veel scherper dan je zou verwachten voor een dier dat in feite een chique mossel is. Speiser toonde dit tien jaar geleden aan door sint-jakobsschelpen in kleine stoeltjes te zetten en filmpjes af te spelen van rondzwevende voedseldeeltjes. Zelfs wanneer de deeltjes slechts 1,5 millimeter breed waren, openden de Sint-Jakobsschelpen hun schelpen, klaar om te eten. “Het idee dat deze dieren echt mooie beelden vormen met hun ogen voelt voor mij heel solide,” zegt Speiser.
Addadi’s team merkte ook op dat de spiegel van de Sint-Jakobsschelp iets gekanteld is ten opzichte van zijn netvliezen. Daardoor richt de spiegel het licht uit het midden van het gezichtsveld van het dier op het bovenste netvlies, en licht uit de periferie op het onderste. Misschien heeft het dier daarom twee netvliezen: Hiermee kan het dier zich tegelijkertijd op verschillende delen van zijn omgeving richten.
“Het is echt een verbazingwekkende studie,” zegt Jeanne Serb van de Iowa State University, die ook jakobsschelpogen heeft bestudeerd. Het helpt het mysterie van de dubbele retina’s op te lossen – iets wat wetenschappers al lang proberen op te lossen, maar zonder succes.
Maar Speiser is niet helemaal overtuigd. Hij zegt dat de ogen gemakkelijk vervormen als ze worden ontleed, en dat zelfs een lichte kneep de oriëntatie van de spiegel en de retina’s kan veranderen. Toch heeft hij geen betere verklaring, ondanks dat hij de afgelopen 12 jaar verschillende mogelijke ideeën heeft getest. “
Het volgende grote doel voor jakobsschelpenliefhebbers, voegt hij eraan toe, is uit te zoeken waarom jakobsschelpen zo veel ogen hebben. Waarschijnlijk kunnen ze daarmee een groot gebied scannen, maar wordt de informatie van elk oog afzonderlijk bekeken, of worden ze allemaal tot één beeld gecombineerd? Na eeuwen van studie weten wetenschappers eindelijk hoe elk oog afzonderlijk ziet. Maar “we hebben nog steeds geen idee wat het dier in zijn geheel waarneemt,” zegt hij.