Зеленый белый медведь

Перед вами — один из полярных медведей, живших в японском зоопарке Хигасияма в 2008 году. Назвать его белым не поворачивается язык — ведь его шерсть имеет яркий зеленый оттенок. Явление «позеленения» белых медведей, живущих в неволе, стали наблюдать с конца 1970-х годов. Тогда в фокусе внимания ученых оказались преимущественно зоопарки, находящиеся в жарком климате: например, в таких городах США, как Сан-Диего и Хьюстон, а также в новозеландском Окленде и австралийской Аделаиде. Позднее к этому списку прибавились и зоопарки Юго-Восточной Азии, в частности Сингапурский зоопарк, где периодически зеленели медведица Шиба и ее сын Инука — первый в мире полярный медведь, рожденный в тропиках.

Полярный медведь Инука в Сингапурском зоопарке. А — фото 2017 года, где Инуке 26 лет. Фото с сайта mothership.sg. Б — трехмесячный Инука со своей матерью Шибой, 1991 год, фото с сайта mothership.sg. В  — Инуку фотографирует посетитель зоопарка, фото сделано за несколько месяцев до смерти медведя в 2018 году; фото с сайта mothership.sg

Причина этого необычного явления кроется в цианобактериях — прокариотических микроорганизмах, которые до конца 1970-х годов классифицировали как «сине-зеленые водоросли». Все цианобактерии способны к фотосинтезу благодаря наличию хлорофилла a. Молекула этого соединения поглощает видимый свет в синем (400–500 нм) и красном (650–700 нм) диапазонах, при этом полностью отражая зеленый свет. По этой причине цианобактерии имеют зеленую окраску, которую они и передают некоторым полярным медведям.

А — изображение клеток цианобактерии Aphanocapsa montana, выделенных из шерсти полярного медведя и выращенных в лаборатории на агаре при белом свете (выполнено методом просвечивающей электронной микроскопии, длина масштабного отрезка — 1 мкм). Буквой Т обозначены тилакоидные мембраны, в которые встроены молекулы хлорофилла а. Б — цианобактерии рода Aphanocapsa. В — спектр поглощения видимого света хлорофилла а. Г — Спектр поглощения видимого света цианобактерий, выделенных из шерсти полярного медведя. Изображения А и Г — из статьи R. A. Lewin et al., 1981. The algae of green polar bears. Б — с сайта gbif.org. B — с сайта ru.wikipedia.org

Внутри волосков медвежьей шерсти ученые нашли цианобактерии Aphanocapsa montana диаметром 2–4 мкм. Существует распространенное мнение о том, что эти волоски полые и не содержат центральной части — медуллы (см. Medulla), однако на самом деле медулла в них есть, просто она состоит из клеток, заполненных воздухом. У позеленевших медведей из зоопарков волоски оказались повреждены: у них обломаны края, а вблизи медуллы находятся небольшие полые каналы, внутри которых и селятся цианобактерии.

Волоски шерсти полярного медведя, содержащие цианобактерии. А — метод фазово-контрастной световой микроскопии, длина масштабного отрезка — 100 мкм; на изображении видны скопления цианобактерий в полостях, окружающих медуллу; стрелка указывает на латеральный канал, выходящий наружу волоска. Б, В — метод сканирующей электронной микроскопии, длина масштабного отрезка — 10 мкм. На изображении Б стрелки обозначают каналы, выходящие наружу волоска, на изображении В — клетки цианобактерий. Фото из статьи R. A. Lewin et al., 1979. The greening of polar bears in zoos

Вероятно, в условиях зоопарка, где даже в охлаждаемых вольерах гораздо теплее, чем в Арктике, и вода в бассейне регулярно застаивается, полярные медведи сталкиваются с некоторыми нетипичными для дикой жизни явлениями. Во-первых, их шерсть атакуется кератиназами (см. Keratinase) — ферментами, которые разлагают кератин, основной строительный материал волоса. Кератиназы, наиболее эффективно действующие при температуре выше 25 °C, вырабатываются различными бактериями, например бациллами (род Bacillus), часто заселяющими стоячую воду. Во-вторых, в той же стоячей воде медведям встречаются и цианобактерии, которые стремятся расположиться в полостях волоса, образовавшихся в результате воздействия кератиназ. Так белые медведи и становятся зелеными — причем этот процесс, несмотря на свою экзотичность, считается безвредным для животных. Может быть, по этой причине он остается малоизученным: на эту тему, по сути, опубликованы лишь две полноценные работы американского биолога Ральфа Левина и его коллег в 1979-м и 1981 году. Похоже, что за последние 45 лет зеленых белых медведей всерьез не изучали — разве что иногда обрабатывали пероксидом водорода, чтобы убрать непривычный цвет.

Мы привыкли называть полярных медведей белыми и не задумываемся о том, что это слово не очень-то подходит не только тем особям, чья шерсть заселена цианобактериями, но даже медведям с чистым покровом. Дело в том, что ничего белого у белых медведей вообще-то нет: под слоем шерсти, состоящей из бесцветных прозрачных волосков, скрыта абсолютно черная кожа. Это обусловлено произошедшими в ходе эволюции мутациями в генах LYST и AIM1, из-за которых у полярных медведей установился высокий уровень выработки красящего пигмента эумеланина (см. Меланины) и полностью заблокировался его транспорт в клетки шерсти.

А — фотография полярного медведя, потерявшего часть шерсти. На безволосом участке просматривается черная кожа. Фото с сайта science.org. Б — структурная формула пигмента меланина (эумеланина), обуславливающего темную окраску кожи, с сайта ru.wikipedia.org

Зачем же природе понадобилось создавать такое удивительное сочетание фактур? Ранее ученые предполагали, что волоски шерстяного покрова служат проводниками света, который активно поглощается черной кожей, трансформируясь в тепло и не давая медведю замерзнуть в холодном климате. Развитием этой теории стало смелое предположение о том, что в облачную погоду медведи могут буквально определять местонахождение солнца с помощью своей шерсти. Однако впоследствии было установлено: волоски медвежьей шкуры не способны эффективно проводить свет, и большая его часть просто не успевает дойти до кожного покрова. Современная наука считает, что свет, попадающий на шерсть белого медведя, по большей части рассеивается, отражаясь от многочисленных волосков, — и благодаря этому рассеянию бесцветная шкура кажется нам белой.

А, Б — демонстрация эффективного рассеяния света волосками шерсти полярного медведя при пропускании лазерного луча диаметром 2–3 мм. Длина волны света: 532 нм (А) и 401 нм (Б). В — схема, показывающая распределение световой и тепловой энергии в покрове полярных медведей. Solar radiation — солнечное излучение; scattering processing / light collection — процессы рассеяния / сбора света (эффективное поглощение); backward scattering (white-yellowish appearance) — обратное рассеяние (обеспечивает бело-желтоватый вид шерсти); outer layer of fur (guard hairs) — внешний слой меха (остевые волосы); inner layer of fur (under-fur) — внутренний слой меха (подшерсток); forward scattering radiation — прямое рассеянное излучение; absorbed radiation — поглощенное излучение; trapped thermal radiation — запертое тепловое излучение; thermal radiation — тепловое излучение; black skin — черная кожа; insulating blubber — изолирующий подкожный жир. Из статьи M. Q. Khattab et al., 2015. Fibre-Optical Light Scattering Technology in Polar Bear Hair: A Re-Evaluation and New Results

Таким образом, шкура белого медведя служит не проводником света к коже, а своеобразным изолятором, не выпускающим тепло и свет в окружающую среду. При этом черный цвет кожи, спрятанной под густым слоем меха, практически не влияет на ее способность поглощать тепло: это доказано с помощью измерений, проведенных для натуральной шкуры полярного медведя и ее аналога, содержащего белую основу. По-видимому, такая мощная пигментация кожи необходима полярным медведям для защиты от ультрафиолетового излучения, часть из которого всё-таки проходит через объемный шерстяной слой.

Фото с сайта nbcnews.com.

Вера Мусияк