Рачки сапфириниды используют продвинутые оптические технологии, чтобы менять цвет и исчезать из виду

Рис. 1. Самцы морских веслоногих рачков сапфиринид замечательно красивы

Рис. 1. Самцы морских веслоногих рачков сапфиринид замечательно красивы: они то радужно переливаются на свету, то вдруг совсем исчезают. Так выглядят только самцы, а самки сапфиринид полупрозрачны и окрашены обычным образом. Фото с сайта roboastra.com

Израильские ученые разгадали секрет красоты радужных рачков сапфиринид. Эти рачки переливаются всеми цветами радуги, но могут вдруг становиться невидимыми. Такой внешностью наделены только самцы, то есть это результат полового отбора. Как выяснили ученые, яркую блестящую окраску определяют светопреломляющие и отражающие кристаллы гуанина, разделенные слоями клеточной цитоплазмы. Именно от толщины цитоплазматических прослоек зависит цвет рачка. А его способность исчезать — это оптический «обман». Разгадка фокуса в том, что при определенных углах падения света спектр отражения смещается в ультрафиолетовую область и снижается интенсивность отраженного света.

Израильские ученые из Института имени Вейцмана в Реховоте и Межуниверситетского института наук о море в Эйлате посвятили свое исследование одному из самых красивых и необычных животных — веслоногим рачкам сапфиринидам (Sapphirinidae). Эти рачки обитают в приповерхностных водах тропической зоны, они совсем плоские, что помогает им не тонуть, питаются желетелыми — медузами и сальпами, откладывая яйца в их тело. Но главное, они, двигаясь, переливаются всеми цветами радуги, то исчезая, то снова появляясь во всей своей блестящей красоте. Это можно увидеть на видео, на котором снят мертвый рачок. Живые рачки плавают, конечно, гораздо резвее, вертясь по спирали. Однако такой захватывающей внешностью могут похвастаться только самцы, самки сапфиринид обычного цвета, разве что полупрозрачные.

Исследуя этот феномен, ученые еще двадцать лет назад определили, что радужная окраска связана с иридофорами — клетками, содержащими кристаллы гуанина. Эти кристаллы совершенной шестиугольной формы ровными стопками уложены в цитоплазме иридофоров (рис. 2). У самок, естественно, таких иридофоров с кристаллической начинкой нет. Зато у них прекрасно развиты глаза, а у их красавцев-ухажеров, например у рачков из рода Copilia, глаза по большей части редуцируются. Так что сапфириниды — это яркий (буквально) пример полового отбора, способного творить необычайные формы.

Рис. 2. Ультраструктура поверхностного слоя Sapphirina metallina

Рис. 2. Ультраструктура поверхностного слоя Sapphirina metallina. (a) — под световым микроскопом хорошо видны шестиугольники кристаллов гуанина. (b), (c) — кристаллы гуанина и их правильная упаковка при более сильном увеличении. Иридофоры (Ir) расположены под внешним слоем кутикулы (Pc). На врезке схематично показаны иридофоры, содержащие стопки кристаллов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of the American Chemical Society

Однако оставалось загадкой, какие морфологические структуры обеспечивают эту замечательную внешность, какими признаками манипулировал естественный отбор. Одних кристаллов гуанина недостаточно: они, как выяснилось, имеют одинаковое строение и толщину вне зависимости от видовой принадлежности и цвета рачка. Тут явно изменялась еще какая-то поверхностная структура. Решением этого вопроса и занялись ученые.

Они наловили планктонной сеткой рачков различных цветов (а они обитают в том числе и в Эйлатском заливе Красного моря): синего, красно-коричневого, золотистого, зеленого и фиолетового. Первые четыре относились к виду Sapphirina metallina, а последний — к виду Copilia mirabilis. Для каждого из этих рачков получили спектр отражения видимого света. Затем с помощью криоэлектронного микроскопа (криоэлектронный метод позволяет подготовить препарат без деформации естественной формы) измерили толщину стопок гуаниновых кристаллов: и самих кристаллов, и цитоплазматических прослоек. Далее последовали расчеты спектров отражения: в формулах использовались оценки толщины гуаниновых кристаллов и стопок в целом, а также известный коэффициент преломления гуанина. (Нужно отметить, что в расчетах применялись классические уравнения оптики с поляризованным светом; поэтому для тех, кто ищет интересные задачи по оптике, данное исследование станет хорошим учебным примером.) В конце осталось сравнить практические измерения спектров отражения с полученными расчетными (рис. 3).

Рис. 3. Пять рачков разного цвета

Рис. 3. Пять рачков разного цвета: (a)-(d) — Sapphirina metallina, (e) — Copilia mirabilis. В правой колонке — стопки гуаниновых кристаллов под кутикулой. Левый график в каждом ряду — измеренный спектр отражения света, правый график — расчетный спектр. Cy — толщина цитоплазмы с погрешностью, Cr — толщина кристаллов с погрешностью, в скобках указано число измерений n. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of the American Chemical Society

Толщина кристаллов оказалась у рачков разного цвета примерно одинаковой, а вот толщина цитоплазматических прослоек лежала в диапазоне от 52 до 200 нм, вчетверо меняя толщину всего отражающего слоя. Расчетные спектры отражения на редкость точно совпали с измеренными. Из этого неизбежно следует вывод, что замечательную окраску рачкам обеспечивают не сами кристаллы, а вся стопка целиком с цитоплазматическими прослойками определенной толщины. А они, будучи обычным свойством клетки, могут легко меняться по мере необходимости в ходе адаптаций. Иными словами, толщина цитоплазмы стала точкой приложения отбора, потребовалось изменять всего одно свойство, а не прилаживать целый комплекс сложных структур.

Попутно выяснилось, как рачки могут мгновенно исчезать и появляться. Всё зависит от угла падения света. При изменении угла падения, меняется и спектр отражения. При определенных углах максимум отражения попадает в ультрафиолетовый диапазон, который человеческий глаз не различает (рис. 4).

Рис. 4. Вид Copilia mirabilis при разных углах падения света

Рис. 4. Слева — вид Copilia mirabilis при разных углах падения света. Справа — спектр и интенсивность отраженного света. Угол падения в 45° превращает рачка в призрака. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of the American Chemical Society

И даже более того, из-за двойного преломления лучей в гуаниновых кристаллах если свет падает под углом 45°, то интенсивность отраженного света в целом снижается. Получается, что, например, голубая Copilia mirabilis, повернувшись к свету на 30°, становится фиолетовой, а повернувшись на 45° практически исчезает, «перекрашиваясь» в ультрафиолет. Изобретателям плаща-невидимки стоило бы повнимательнее приглядеться к этому замечательному рачку.

Источник: Dvir Gur, Ben Leshem, Maria Pierantoni, Viviana Farstey, Dan Oron, Steve Weiner, and Lia Addadi. Structural Basis for the Brilliant Colors of the Sapphirinid Copepods // Journal of the American Chemical Society. 2015. V. 137 (26). P. 8408–8411. DOI: 10.1021/jacs.5b05289.

Елена Наймарк


12
Показать комментарии (12)
Свернуть комментарии (12)

  • grihanm  | 22.07.2015 | 20:54 Ответить
    Интересная новость. Спасибо, Елена.
    Ответить
  • RomTV  | 23.07.2015 | 03:25 Ответить
    Любопытно, что аналогичные фокусы с гуанином могут проделывать и позвоночные (хамелеоны) и моллюски ( кальмары), а теперь вот оказывается, что еще и членистоногие. Конвергенция?
    Ответить
    • romans1_20 > RomTV | 23.07.2015 | 04:34 Ответить
      Сложно хоть как-то представить, что подобные технологии появились из-за бесконтрольно и как попало и где попало протекающих изменений.
      Зато честно и вполне логично представить, что, раз люди разрабатывают плащи-невидимки, то и технология невидимости у животных, куда более совершенная(!), тоже была разработана, а т.ж. записана сложнейшими системами записи в сложнейший носитель информации. Просто у этих невероятных технологий очень мудрый и дотошный Разработчик.
      Ответить
      • AnnSochi > romans1_20 | 23.07.2015 | 12:37 Ответить
        А кто же тогда "разработал" этого очень мудрого и дотошного Разработчика?)))
        Ответить
      • Just Male > romans1_20 | 23.07.2015 | 17:17 Ответить
        И зачем этому Разработчику это всё нужно? Ответ "Неисповедимы пути Господни" не принимается.
        Ответить
        • Aab > Just Male | 26.07.2015 | 01:02 Ответить
          Ну, во-первых, это красиво... (ц) анекдот

          Наверняка, тот, кого Вы спрашиваете имел в виду под Разработчиком Эволюцию :)
          Ответить
      • Rattus > romans1_20 | 27.07.2015 | 11:28 Ответить
        >Сложно хоть как-то представить
        1. http://www.rlsnet.ru/fg_index_id_46.htm
        2. http://elementy.ru/genbio/synopsis?artid=345
        Ответить
    • naimark > RomTV | 23.07.2015 | 09:40 Ответить
      Конечно, конвергенция. Но одинаков только инструмент - кристаллы. Но манипуляции в коже с этими кристаллами у них производятся разными способами.
      Ответить
  • chech  | 29.07.2015 | 02:11 Ответить
    Исправьте слово "шестигранные" на "шестиугольные" :) А то неаккуратненько как-то.
    Ответить
    • editor > chech | 29.07.2015 | 03:58 Ответить
      Спасибо, исправили. Но вообще, в разговорной речи слово "шестигранный" в русском языке иногда употребляют в значении "шестиугольный" -- когда остальные грани не важны: "шестигранная гайка", "шестигранный ключ", "шестигранный стакан".
      Ответить
      • chech > editor | 29.07.2015 | 13:24 Ответить
        Ну, мы же с Вами не на лавочке у подъезда беседуем, а на научно-популярном сайте :) А то в одной новости спутали глаголы "одеть" и "надеть", сейчас вот многогранники с многоугольниками... А ведь на нашу речь должен ориентироваться простой народ! :)
        Ответить
        • editor > chech | 29.07.2015 | 13:54 Ответить
          Да, поэтому мы и исправили. Но вы все-таки должны понимать, что бывают случаи очевидные, а бывают -- не совсем. "Шестигранная гайка" и "переодеть платье" (что там было, "одеваемая"?) -- это все-таки не "на лавочке у подъезда". Объясните тогда, почему "переодеть" (а не "перенадеть") и почему, вы считаете, нельзя "одеваемая".
          Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»