Моллюски используют волоконную оптику, чтобы обеспечить светом своих симбионтов

Рис. 1. Асимметричные двустворчатые моллюски Corculum. Выпуклая нижняя сторона раковины погружается в грунт, а верхняя (которая может быть плоской, выпуклой или чашевидной) обращена к свету. В ней есть прозрачные окошки, через которые в раковину проникает свет, необходимый фотосинтезирующим симбионтам. Фото © Dakota McCoy, первого автора обсуждаемой статьи

У двустворчатых моллюсков рода Corculum есть фотосинтезирующие симбионты — одноклеточные водоросли, живущие в мягких тканях моллюска под раковиной. В раковине есть прозрачные окошки, через которые проникает необходимый симбионтам свет. Как выяснилось, эти окошки представляют собой волоконно-оптические кабели, сделанные из длинных и очень тонких кристаллов арагонита, ориентированных перпендикулярно поверхности раковины. Это первый известный случай использования оптоволоконных кабелей живыми организмами. Арагонитовые световоды не только проводят свет, но и способны проецировать изображения с высоким разрешением, хотя едва ли это зачем-то нужно моллюску или его симбионтам. Волоконная оптика моллюска хорошо пропускает световые волны, пригодные для фотосинтеза, но задерживает большую часть потенциально вредного ультрафиолетового излучения. На некоторых раковинах под оптоволоконными окошками есть также арагонитовые линзы, позволяющие свету глубже проникать в населенные симбионтами ткани моллюска.

Представители многих групп животных живут в симбиозе с фотосинтезирующими организмами, такими как цианобактерии и одноклеточные водоросли. Примеры фотосимбиозов известны у губок, книдарий, плоских червей, асцидий, моллюсков и даже некоторых позвоночных (см. J. M. Clavijo et al., 2018. Polymorphic adaptations in metazoans to establish and maintain photosymbioses).

Двустворчатые моллюски часто вступают с одноклеточными водорослями в оппортунистические (необязательные) симбиотические отношения. Однако облигатный, то есть обязательный фотосимбиоз развился у них, насколько известно, только дважды, причем оба раза — у представителей семейства Cardiidae (сердцевидок). Первый случай — гигантские двустворки из подсемейства Tridacninae (см. картинку дня Разноцветные тридакны). Второй случай, менее известный, но не менее интересный — асимметричная двустворка Corculum cardissa и несколько близких видов из подсемейства Fraginae (рис. 1). По-английски этих моллюсков называют heart cockles, а по-русски — «разбитое сердце». Эти небольшие (размером всего в несколько сантиметров) моллюски встречаются в теплых морях на глубине от 0,5 до 10 м. В их мягких тканях живут симбиотические динофлагелляты Symbiodinium corculorum.

Одна из задач, которую должно решать каждое животное, зависящее от фотосинтезирующих симбионтов, состоит в обеспечении их достаточным количеством света. Симбионты двустворок живут в мантии, жабрах и других частях моллюска, отгороженных от света раковиной. Двустворки строят раковины из двух форм карбоната кальция — кальцита и арагонита в разных комбинациях. Кристаллическая структура раковин отличается разнообразием и сложностью. Как правило, свет плохо проходит сквозь раковину, хотя есть впечатляющие исключения (см. Placuna placenta).

Тридакны и разбитое сердце решают задачу освещения симбионтов по-разному. Крупные тридакны просто приоткрывают свои могучие створки, чтобы свет мог проникнуть в населенные симбионтами ткани. Маленькое разбитое сердце избавлено от такой необходимости благодаря многочисленным мелким окошкам (участкам повышенной прозрачности) на верхней стороне раковины (рис. 2).

Рис. 2. Верхняя сторона раковин Corculum lorenzi (a) и Corculum cardissa (b–d) при обычном освещении и при освещении изнутри. Видны «окошки» — области повышенной прозрачности, образующие на раковине разнообразные узоры. Изображение из обсуждаемой статьи

Группа американских биологов решила разобраться в устройстве этих окошек. Для начала исследователи измерили прозрачность верхней и нижней стороны раковины для света с разной длиной волны. Оказалось, что верхняя сторона, благодаря окошкам, неплохо пропускает фотосинтетически активное излучение (с длиной волны от 400 до 700 нм), но задерживает большую часть потенциально вредного ультрафиолетового (300–400 нм). Нижняя сторона раковины, лишенная окошек, малопрозрачна как для ультрафиолета, так и для видимого света. Это согласуется с гипотезой о том, что окошки — адаптация, позволяющая обеспечить симбионтов светом для фотосинтеза и одновременно защитить их от вредного ультрафиолета.

Кристаллическая структура окошек оказалась крайне необычной (рис. 3). Окошки, как выяснилось, состоят из множества очень тонких (толщиной около 1 мкм) и длинных кристаллов арагонита, ориентированных параллельно друг другу и перпендикулярно поверхности раковины. Эти кристаллы работают как оптические волокна, переносящие свет благодаря полному внутреннему отражению. Каждое окошко фактически представляет собой волоконно-оптический кабель.

Рис. 3. Структура светопроводящих окошек. Вверху — фрагмент поперечного скола окошка при большом увеличении (длина масштабного отрезка — 10 мкм). Видны тонкие, длинные кристаллы арагонита, работающие как оптические волокна. Внизу — поперечные срезы раковин при меньшем увеличении (длина масштабных отрезков — 0,5 мм). Срезы a–c проходят через окошки (они отмечены оранжевыми отрезками); видны арагонитовые волокна, перпендикулярные поверхности раковины (желтые стрелки). d — срез участка раковины без окошек. Изображение из обсуждаемой статьи и дополнительных материалов к ней

Как и положено световодам, окошки не просто проводят свет, но и проецируют изображения, причем довольно качественно — с разрешением 100 линий на миллиметр (рис. 4). Маловероятно, что это зачем-то нужно моллюскам или их симбионтам, но все-таки в будущем стоит проверить, нет ли у разбитого сердца каких-нибудь фоторецепторов, ассоциированных с окошками.

Рис. 4. Окошки в раковине разбитого сердца проецируют изображения. В данном случае фрагмент раковины положили под микроскоп на предметный столик с линейкой. На левой фотографии микроскоп сфокусирован на линейке, а на правой — на ее изображении, спроецировавшемся на верхнюю поверхность раковины. Фото из обсуждаемой статьи

Кроме того, на некоторых раковинах под оптоволоконными окошками имеются арагонитовые выпуклости, похожие на линзы (рис. 3, а). Исследователи предполагают, что это действительно конденсирующие линзы, помогающие свету глубже проникнуть в нашпигованные симбионтами ткани моллюска. Правда, пока не понятно, почему эти линзы есть только у некоторых, но не у всех раковин Corculum.

Авторы подчеркивают, что окошки в раковинах разбитого сердца — это пока единственный пример оптоволоконного кабеля в живой природе. Возможно, этот способ сделать прозрачной раковину из карбоната кальция редко используется эволюцией, потому что он снижает прочность раковины. Тем более, что существуют и другие способы, как показывает пример упомянутой выше «стеклянной устрицы» Placuna placenta. Ее прозрачные створки, использовавшиеся когда-то вместо стекла, сделаны не из волокон, перпендикулярных поверхности, а из пластинок, ориентированных параллельно поверхности. Такое инженерное решение позволяет сделать раковину из карбоната кальция прозрачной без серьезного ущерба для прочности. Однако эволюция — слепой часовщик, не способный ничего просчитать наперед, и хватающийся, как правило, не за оптимальное решение, а за первое подвернувшееся.

Источник: Dakota E. McCoy, Dale H. Burns, Elissa Klopfer, Liam K. Herndon, Babatunde Ogunlade, Jennifer A. Dionne & Sönke Johnsen. Heart cockle shells transmit sunlight to photosymbiotic algae using bundled fiber optic cables and condensing lenses // Nature Communications. 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-53110-x.

Александр Марков