22.07.2015

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

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.

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).

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. Все 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).

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

Источники:

1. elementy.ru