Хамелеоны играют нанокристаллами

Чтобы поменять цвет, хамелеон изменяет светоотражающие характеристики собственной кожи.

Способность хамелеонов менять цвет вошла в поговорку. Используют они её не только для того, чтобы замаскироваться от хищников – цветовой язык служит им для общения друг с другом. Когда самец пантерового хамелеона (Furcifer pardalis) видит, что кто-то покушается на его территорию, он из зелёного и незаметного становится жёлто-оранжевым, красные пятна на его коже делаются ярче, а синие бледнеют. Меняющиеся цвета должны сказать потенциальному противнику, что его заметили и что ему лучше удалиться. Такие резкие изменения происходят необычайно быстро, буквально за минуту-другую. Как хамелеоны это делают?

Одно из очевидных решений – манипуляция с разными пигментами, подобно тому, как поступают художники, смешивая на палитре зелёный с красным, красный с синим и т. д. Пигменты избирательно поглощают часть видимого солнечного спектра и отражают другую. Есть и другой способ создания окраски, с помощью так называемых структурных цветов, когда одно и то же вещество может быть окрашено по-разному, в зависимости от степени его конденсации, способа упаковки, поворота относительно падающего луча света и прочих подобных параметров. Один из вариантов структурной расцветки основан на использовании хемохромов, которые создают окраску путём отражения волн определённой длины, путем интерференции и путём рассеивания. Именно хемохромы обеспечивают насекомым и птицам характерные радужные цвета.

Хамелеонье умение менять окраску обеспечивается как раз структурной природой красителя, правда, в отличие от птиц и насекомых, хамелеоны его структуру активно меняют. Исследователи из Женевского университета засняли перемену окраски рептилий с помощью высокоскоростной камеры и убедились, что смена цвета сопровождается именно сдвигом в длинах отражённых световых волн (от синего к зелёному и оранжевому). А это как раз говорит о «структурных переменах», нежели о чередовании разных красителей-пигментов.

В коже хамелеонов есть два слоя клеток, называемых иридофорами: над слоем D-иридофоров находится слой S-иридофоров. В тех и в других содержатся нанокристаллы азотистого основания гуанина, которые служат, если можно так сказать, источником цвета: манипулируя кристаллами гуанина, рептилия меняет отражающие свойства клеток. С помощью электронного микроскопа удалось рассмотреть внутреннее устройство верхних S-иридофоров. Когда хамелеон пребывает в спокойном состоянии, нанокристаллы в них расположены теснее друг к другу, и в окраске преобладают синий и зелёный цвета. В момент возбуждения расстояние между кристаллами гуанина увеличивается примерно на 30%, и иридофоры становятся светло-жёлтыми.

То, что именно взаимное расположение нанокристаллов определяет окраску клеток, стало очевидно из простого опыта: иридофоры погружали в высокосолевой раствор, заставлявший клетки отдавать воду и съёживаться. Поскольку S-иридофоры становились меньше, то и частицы гуанина в них сближались друг с другом, и в результате окраска «подсоленных» клеток из желтоватой делалась зелёной и синей.

Что же до D-иридофоров, то их гуаниновые кристаллы крупнее, находятся в большем беспорядке и своё расположение не меняют. Их роль – не пропускать инфракрасные волны: кристаллы D-иридофоров отражают 45% излучения инфракрасного диапазона. Скорее всего, D-слой клеток нужен для защиты рептилий от перегрева – очевидно, именно благодаря ему хамелеоны могут оставаться на солнце гораздо дольше других ящериц. Хотя, конечно, D-иридофоры клетки вносят свой вклад и в цветовой спектр.

Результаты экспериментов опубликованы в Nature Communications. Стоит, однако, заметить, что их ещё необходимо подтвердить «живьём» – то есть убедиться, что хамелеоны действительно управляют своим цветом, меняя расстояние между кристаллами гуанина в клетках кожи. Смена окраски происходит довольно быстро, так что, по-видимому, клетки кожи подчиняются непосредственно нейронным импульсам, хотя нельзя исключать и долговременное влияние гормонов. Также пока неизвестно, многие ли хамелеоны используют такой механизм перекрашивания – авторы исследования работали только с вышеупомянутым F. pardalis (хотя известно, что, по крайней мере, D-иридофоры есть у самых разных видов).

Но вот кто точно похож на пантерового хамелеона, так это кальмары. В прошлом году было опубликовано сразу несколько работ, авторы которых обсуждали способность головоногих моллюсков менять окраску: оказалось, что и тут задействованы структурные цвета. У кальмаров в коже есть специальные клетки с множество мембранных впячиваний и складок, которые образуют что-то вроде фотонного кристалла с возможностью тонкой настройки. В складках содержатся светоотражающие белки, и цветовые изменения происходят благодаря химическим модификациям белковых молекул и перестройкам мембранных складок. Сам принцип здесь такой же, как у хамелеонов, хотя, напомним, у рептилий свет отражается не от белков, а от гуаниновых кристаллов.

Подготовлено по материалам The Scientist.