Окраска

Животные демонстрируют поразительное разнообразие внешнего облика - от полосок зебры до меняющего цвет хамелеона. Окраска обеспечивает им возможности выживания и воспроизводства - скрывая от хищников и обманывая потенциальные жертвы, - а в качестве сексуального сигнализатора помогает привлечь партнера. Каким образом тело создает эти цветовые чудеса?

Окраска возникает в результате естественного отбора. В самом общем виде, единый цвет отражает адаптацию к окружающей среде — цвет кожи защищает от солнечного излучения или поглощает тепло, но эволюция узора зависит от биологических взаимодействий. Будучи единственными живыми организмами, наделенными зрением, животные являются целевой аудиторией для визуальных проявлений природы, каковые решают две задачи: крипсис (камуфляж, защитная окраска и прочие экологические стратегии, делающие объект более или менее заметным) и коммуникация (сигналы могут быть честными, как предупреждающая окраска ядовитых лягушек, или ложными, как в случае мимикрии). Как утверждал Дарвин в работе 1871 года «Происхождение человека и половой отбор», яркая окраска помогает самкам выбрать подходящего самца.

Пигменты и структуры

Млекопитающие могут похвалиться лишь оттенками серого и коричневого, это вариации единственного пигмента — меланина, который содержится в их коже и шерсти. Пигменты содержатся внутри жировых пузырьков в «хроматофорах», специализированных клетках, которые создают оттенки цвета, перераспределяя пигмент-содержащие пузырьки. Другие позвоночные приобретают окраску иными путями: желтую и красную — от каротиноидных молекул, содержащихся в пище, — таким образом, например, фламинго становятся розовыми. У птиц и млекопитающих один тип хроматофорных клеток — меланофоры, а у рыб их несколько.

«Самцы, почти всегда выступающие в роли ухажера... Имеют яркую привлекательную окраску, зачастую оформленную в замысловатые узоры, в то время как самки остаются невзрачными» Чарлз Дарвин

Цвет определяется длиной световой волны, отражающейся от объекта. Сине-коричневые «глаза» на хвосте павлина имеют в основе один пигмент, но структура перьев отражает его так, что получаются два цвета. Этот физический эффект был впервые отмечен в 1665 году в книге английского энциклопедиста Роберта Гука «Микрография». Он заметил в структуре пера тонкие пластинки, напоминающие перламутр в раковинах. От структуры зависит и серебристо-голубая окраска рыб — мембраны клеток иридофоров содержат стопки отражающих пластинок из гуанина, одного из веществ, образующих ДНК. Фактически любой голубой или радужный оттенок, встречающийся в природе, от крыльев бабочки до перьев птиц, обусловлен наличием микроскопических или наноскопических структур, отражающих свет.

Роберт Гук

Узоры

Дорсовентральная защитная окраска, при которой спина темнее, чем брюхо, — это простой, но эффективный пример базового уровня безопасности у таких представителей животного мира, как рыбы и птицы. Их трудно разглядеть сверху, на земле или в глубокой воде, а снизу их более светлая сторона мало заметна на фоне неба. Развитие защитной окраски контролируется гормонами, такими как «агути-сигнальный пептид» у млекопитающих, открытый в 1994 году американскими учеными Уильямом Вилкинсоном и Роджером Коуном под руководством Ричарда Войчика.

Каким образом создаются сложные узоры? Хроматофоры зарождаются в нервном гребне, временном скоплении эмбриональных стволовых клеток, из которых также формируются части головы и периферической нервной системы. По мере роста и развития организма хроматофоры делятся и мигрируют, изменяя интенсивность окраски, создавая различные узоры и оттенки цвета. Аквариумная рыбка Danio rerio — прекрасная модель для изучения позвоночных; исследователи выделили у нее более 100 генов, влияющих на формирование узоров. Например, в 2003-м немецкий биолог Кристиана Нюсляйн-Фольхард доказала, что мутация гена с подходящим именем «леопард» изменяет взаимодействие между различными хроматофорными клетками, провоцируя образование пятен вместо полосок. Так что аквариумная рыбка помогла объяснить, откуда у леопарда пятнышки.

Динамическое изменение

Хамелеоны могут использовать окраску для маскировки, но гораздо чаще они изменяют цвет в интересах коммуникации. Ящерицы из зеленых становятся красными, когда возбуждены или встревожены. Предполагалось, что у животных, способных изменять окраску, этот процесс контролируется физиологически — гормонами, которые дают сигнал хроматофорам рассеивать или соединять пигмент-содержащие пузырьки и тем самым менять яркость. Но в 2015 году биолог Мишель Милинкович открыл, что пантерный хамелеон изменяет цвет, используя кристаллические структуры в слое иридофоров кожи. Эти «фотонные нанокристаллы» состоят из гуанина, как и отражающие плашки в клетках рыб. Хамелеоны умеют «подстраивать» расстояние между атомами в кристаллической решетке, чтобы свет отражался по-разному. Помимо маскировки и брачных игр, это, возможно, обеспечивает еще и терморегуляцию.

Но подлинные мастера изменения окраски вовсе не хамелеоны, а цефалоподы — осьминоги, каракатицы и кальмары. Довольно замысловатая нервная система и глаза позволяют цефалоподам стремительно оценивать визуальную картину и приспосабливать свое тело к изменяющимся условиям, используя свет и тьму, искажая привычные узнаваемые формы. Хроматофоры цефалоподов, в отличие от позвоночных, не клетки, а целые органы — эластичные мешки, наполненные пигментом, и мышцы, контролируемые моторными нейронами. То есть их хроматофоры управляются не относительно медленно действующими гормонами, а непосредственно мозгом, что позволяет изменять окраску чрезвычайно быстро. Octopus vulgaris, абсолютно незаметный на фоне окружающего пространства, может стать видимым, полностью сменив цвет, всего за две секунды.

Любопытно, что большинство цефалоподов не различают цвета, хотя это умение необходимо для слияния со средой. Этот факт был доказан еще в 1973 году британским зоологом Джоном Мессенджером, чьи дрессированные осьминоги умели различать яркость, но не цвет. А в 2005-м биологи Лидия Матгер и Роджер Ханлон поместили каракатицу на своеобразную шахматную доску с желто-синими или зелено-серыми клетками, что соответствует максимальной длине волны (492 нм) ее зрительного пигмента. Каракатица провалила оба экзамена, изменяя окраску целиком. Но, несмотря на отсутствие цветового зрения, цефалоподам удается успешно обманывать своих противников.

Биолюминесценция и флуоресценция

Окраска большинства живых существ определяется отраженным светом, но существуют и те, кто умеет создавать раскраску самостоятельно. Свет рождается в результате химической реакции - пигмент люциферин светится при соединении с кислородом, а экворин активизируется кальцием. Биолюминесценция довольно распространена у беспозвоночных и играет ту же роль, что и окраска - маскировки и коммуникации: светлячки предупреждают хищников о своей токсичности, а взрослые особи таким образом привлекают партнера; светлячковый кальмар испускает свет в качестве маскировки, которая работает как защитная окраска. Светящиеся животные обеспечили молекулярную биологию одним из полезнейших инструментов: GFP (зеленый флуоресцентный белок). Как и прочие флуоресцентные молекулы, GFP начинает светиться при активации освещением, в точности как экворин. Оба вещества были выделены из медузы в 1961 году японским ученым Осаму Симомура. Дуглас Прашер в 1992-м получил ген GFP и предложил использовать его в качестве визуального «информатора» генетической активности: достаточно встроить его в интересующий ген, и вы сможете увидеть, в какой момент они «включаются». Два года спустя американский биолог Мартин Чалфи уже демонстрировал методику на червях-нематодах. Позже Роджер Циен создал и другие цвета, породив настоящую «радужную революцию», которая пролила свет на многие биологические процессы.

Пятнышки и полоски

У аквариумных рыбок Dario rerio, как правило, 4-5 желтых и голубых полосок по всей длине тела. Биологи идентифицировали порядка 20 генов, мутации которых могут вызвать изменения паттерна раскраски без влияния на жизнедеятельность. Эти гены влияют на образование пигмента, окрашивающего клетки, и на взаимодействие между клетками. Например, мутация «леопардового» гена изменяет клеточное взаимодействие и в результате появляется рыбка с пятнышками.