Механизм изменения цвета у кальмаров и осьминогов раскрыт
Цвет у живых организмов может создаваться двумя способами: пигментацией или анатомической структурой. Структурная окраска возникает при физическом взаимодействии света с биологическими наноструктурами. Хотя многие организмы обладают этой способностью, её биологические механизмы долгое время оставались плохо изученными.
Два года назад междисциплинарная команда из UC Santa Barbara обнаружила механизм, с помощью которого нейромедиатор ацетилхолин вызывает резкое изменение цвета у обыкновенного кальмара Doryteuthis opalescens. Этот нейромедиатор запускает каскад событий, кульминацией которого является добавление фосфатных групп к уникальным белкам — рефлектинам. Этот процесс позволяет белкам конденсироваться, что и управляет процессом изменения цвета.
Теперь исследователи углубились в изучение и раскрыли механизм, ответственный за драматические изменения цвета у таких существ, как кальмары и осьминоги. Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Science (ведущий автор — аспирант Дэниел ДеМартини, соавторы — Дэниел В. Крогстад и Дэниел Е. Морс), представлены в текущем выпуске The Scientist.
Структурные цвета зависят исключительно от плотности и формы материала, а не от его химических свойств. Новейшее исследование команды UCSB показывает, что специализированные клетки в коже кальмара, иридоциты, содержат глубокие складки (инвагинации) клеточной мембраны, уходящие вглубь тела клетки. Это создаёт слои, или ламелли, которые работают как настраиваемый отражатель Брэгга.
«Мы знаем, что головоногие используют свою настраиваемую иридисценцию для камуфляжа, чтобы контролировать прозрачность или, в некоторых случаях, соответствовать фону», — говорит соавтор Дэниел Е. Морс, профессор биотехнологии.
«Они также используют её для создания сбивающих с толку узоров, нарушающих визуальное распознавание хищником, и для координации взаимодействий, особенно спаривания, когда они меняют одну внешность на другую», — добавил он.
Исследователи создали антитела, специфически связывающиеся с белками рефлектинами, и обнаружили, что рефлектины расположены исключительно внутри ламелл, образованных складками клеточной мембраны. Они показали, что каскад событий, приводящий к конденсации рефлектинов, вызывает резкое изменение осмотического давления внутри ламелл из-за вытеснения воды, что сжимает и обезвоживает ламеллы, уменьшая их толщину и расстояние между ними. Движение воды было напрямую продемонстрировано с использованием меченной дейтерием тяжёлой воды.
Когда нейромедиатор ацетилхолин удаляется и клетка может восстановиться, ламеллы поглощают воду, регидратируются и набухают до исходной толщины. Это обратимое обезвоживание и регидратация, сжатие и набухание меняет толщину и расстояние между слоями, что, в свою очередь, изменяет длину волны отражаемого света, «настраивая» изменение цвета во всём видимом спектре.
«Этот эффект конденсации рефлектинов одновременно увеличивает показатель преломления внутри ламелл, — объясняет Морс. — Изначально, пока белки не консолидированы, показатель преломления (можно думать о нём как о плотности) внутри и снаружи ламелл одинаков. Нет оптической разницы, поэтому нет и отражения. Но когда белки консолидируются, это увеличивает показатель преломления, так что контраст между внутренней и внешней средой резко возрастает, заставляя стопку ламелл становиться отражающей, в то же время они обезвоживаются и сжимаются, что вызывает изменение цвета. Животное может контролировать степень этого процесса — оно может выбирать цвет — и это обратимо».
Другая статья той же команды, опубликованная в Journal of the Royal Society Interface (ведущий автор — физик-оптик Амитабх Гхошал), провела математический анализ изменения цвета и подтвердила, что изменения показателя преломления идеально соответствуют измерениям, сделанным на живых клетках.
Третья статья, готовящаяся к печати в Journal of Experimental Biology, сообщает об открытии команды: у самок кальмара Doryteuthis opalescens есть набор полос, которые могут ярко активироваться и, вероятно, функционируют во время спаривания, позволяя самке имитировать внешний вид самца, тем самым снижая количество брачных контактов и агрессивных взаимодействий с самцами. Наиболее значимое открытие в этом исследовании — обнаружение пары полос, которые переключаются от полной прозрачности к ярко-белому цвету.
«Это первый случай, когда обнаружены переключаемые белые клетки на основе белков рефлектинов», — отметил Морс.
Могут ли эти открытия однажды найти практическое применение? «В телекоммуникациях мы переходим к более быстрой связи, осуществляемой с помощью света, — сказал Морс. — Уже сейчас мы используем оптические кабели и фотонные переключатели в некоторых устройствах. Вопрос в том — и на данный момент это именно вопрос — можем ли мы, изучая эти новые биофотонные механизмы, отточенные миллионами лет естественного отбора, найти новые подходы к созданию настраиваемых и переключаемых фотонных материалов для более эффективного кодирования, передачи и декодирования информации с помощью света?»
Фактически, исследователи UCSB сотрудничают с Raytheon Vision Systems в Голете для изучения применения своих открытий в разработке настраиваемых фильтров и переключаемых затворов для инфракрасных камер. В перспективе возможны также применения для синтетического камуфляжа.