Исследователи из Сингапура и США описали, как окраска одного из видов кальмаров меняется на молекулярном уровне. Животное делает это несколькими способами с помощью специфических белков и пигментов, часть из которых входит в состав хрусталика глаза млекопитающих и его сетчатки. Понимание этих процессов может существенно помочь ученым разрабатывать новые оптические материалы.
Пигментная капсула (вид сверху и вид в разрезе)
вместе с лежащими под ней клетками (показаны желтым на левом изображении)
© Roger T. Hanlon & Leila F. Deravi et al. / Nature Communications
Чтобы замаскироваться от врага или привлечь особь противоположного пола, кальмары вида Doryteuthis pealeii могут менять свою окраску за счет сложного строения кожи. По ее поверхности распределены особые образования, хроматофоры, в каждом из которых находится окруженная расходящимся кольцом мышц капсула с окрашенными клетками. Сокращение мышц растягивает капсулу, делая ее более заметной; под капсулами находится еще один слой клеток клеток, также обладающих интересными оптическими свойствами.
Если клетки в капсуле, которая изменяет свою форму, просто поглощают свет с определенной длиной волны (цветом), то клетки нижнего слоя могут столь же избирательно отражать свет. При этом их поверхность переливается радужными красками. Долгое время изучающие этих головоногих биологи думали, что между хроматофорами и нижним слоем есть четкое разделение по оптическим свойствам (сверху — пигменты, снизу — радужные частицы). Однако новое исследование показало, что в самих капсулах-хроматофорах есть две разных по своим свойствам молекулы.
Хроматофоры из кожи кальмара Doryteuthis pealeii
© Stephen Senft / Hanlon Lab, MBL
В своей статье для журнала Nature Communications биологи пришли к выводу, что хроматофоры кальмаров используют сразу два разных способа управления светом — пигментный и структурный. Первый основан на том, что хроматофоры избирательно поглощают определенные цвета (так работает большинство красителей). Структурное управление светом предполагает совсем иной механизм. Иризация возникает не потому, что молекулы поглощают какие-либо определенные фотоны, а за счет особой геометрии поверхности. Схожий эффект проявляет состоящий из прозрачного вещества мыльный пузырь или масляная пленка на поверхности воды.
Белый свет представляет собой смесь волн с разной длиной. Если такие волны отражаются от какой-либо поверхности и накладываются друг на друга, то они могут как усиливаться, так и взаимно уничтожаться. Так как судьба волны напрямую зависит от ее длины и, следовательно, цвета, то отраженный и прошедший через сложение волн белый свет оказывается лишен тех или иных составляющих. В результате его цвет меняется.
Используя методы молекулярной биологии, ученые выяснили состав белков, из которых состоят хроматофоры. Ими оказались кристаллины, похожие на белки хрусталика в глазах млекопитающих, рефлектины, свойственные многим головоногим и входящие в переливающийся слой кожи, а также светочувствительный родопсин. Последний позволяет хроматофору реагировать на изменение света даже в том случае, если связь с нервной системой потеряна.
Кроме того, ученые детально изучили микроструктуру хроматофора и выяснили, где сосредоточены те или иные белки. Эта информация позволила не просто выяснить, почему кальмары могут быстро — за ⅛ секунды — менять свою окраску, но и дала подсказку для инженеров, которые разрабатывают подобные покрытия. На схожей комбинации двух разных физических принципов, используя деформируемые гранулы с разными оптическими материалами, можно, как считают авторы новой работы, сделать принципиально новые покрытия для чего угодно.
Источник: chrdk.ru
