22.10.2018

Технология попиксельного наблюдения за кожей каракатиц поможет понять, как они управляют своей окраской

Немецкие исследователи научились детально, на уровне отдельных клеток, отслеживать трансформацию окраски каракатиц. Изменение внешнего облика этих животных происходит из-за одновременного сокращения и растяжения тысяч или даже миллионов клеток-хроматофоров, каждая из которых связана с отдельным комплексом мышц, контролируемых через центральную нервную систему. Чтобы разобраться в том, как это происходит, ученые снимали на скоростную камеру нескольких каракатиц в течение почти девяти месяцев, а потом проанализировали полученные кадры при помощи специально разработанных статистических алгоритмов. Новая технология, как надеются ученые, позволит заглянуть в головы этих подводных «инопланетян» и разобраться, как им удается точно и скоординированно управлять таким большим комплексом мышц, имитируя самые разнообразные цвета и текстуры.

Каракатицы (Sepiida) — представители головоногих моллюсков, известные восхитительной способностью менять свою окраску. Эта способность реализуется благодаря особым клеткам кожи — хроматофорам, — наполненным молекулами пигмента. Кожа каракатицы и других животных, умеющих менять окраску, содержит огромное количество (от тысяч до миллионов) клеток, которые образуют отдельные «пиксели» разных цветов, совместно формирующие рисунок на коже животного. Окраска меняется очень быстро — в какие-то миллисекунды. Эти изменения не случайны: животное меняет внешний вид сообразно окружению, чаще всего — стремясь замаскироваться под общий фон.

Изучение физиологической основы контроля хроматофоров у головоногих моллюсков началось в 1960-е годы. Было установлено, что управление этим процессом осуществляет нервная система. Каждый хроматофор окружен группой радиальных мышц, сокращение которых приводит к растяжению хроматофора и увеличению площади соответствующего цветного «пикселя». Эти мышцы управляются через отростки моторных нейронов в мозге животного. В синаптических окончаниях из нейрона выбрасывается нейромедиатор — глутамат, который стимулирует сокращение мышц. Кажется, что управление одновременно сотнями тысяч мышц, регулирующих размеры хроматофоров, должно быть чрезвычайно трудной задачей. Как животные это делают? Вот, к примеру, человеку надо управлять всего парой сотен мышц, и даже это не всегда и не сразу удается делать так точно, как хотелось бы. А такие животные, как осьминог или каракатица, используя свою суперспособность, могут маскироваться буквально с рождения — им не приходится даже учиться!

Чтобы лучше разобраться в этих непростых вопросах, немецкие ученые, чья статья была опубликована на днях в журнале Nature, разработали хитроумную систему, способную отслеживать изменения кожи каракатицы на протяжении многих недель ее жизни с точностью до каждого отдельно взятого хроматофора. И всё это время каракатицы увеличивались в размере — ведь опыты начинали с новорожденными животными, а растут они достаточно быстро.

В качестве модельного объекта взяли каракатиц Sepia officinalis. «Officinalis» означает «лекарственная»: перетертую в порошок раковинку этого животного когда-то применяли в народной медицине. (Кстати, от латинского варианта sepia греческого слова σηπíα («каракатица») получила свое название краска сепия, которую до некоторых пор изготавливали из чернил каракатиц.) Взрослое животное этого вида может вырастать до 20–30 см, а рождаются лекарственные каракатицы совсем маленькими — вполне подходящий вид для содержания в экспериментальном аквариуме.

Ученые задались целью, во-первых, установить общие закономерности расположения хроматофоров разного цвета в коже на спинной стороне мантии каракатицы, во-вторых, выяснить, каким образом формируется наблюдаемый паттерн изменения окраски кожи при естественном поведении животного, и в-третьих, проследить процесс формирования и изменения хроматофоров в процессе роста и развития животного.

Работа замечательна именно с точки зрения мощного методического решения. Суть в следующем. Специально разработанная видеокамера снимала животное, находящееся в аквариуме (с частотой 84 кадра в секунду). На пол аквариума укладывали настил с разными вариантами рисунка, чтобы стимулировать каракатицу изменять расцветку. Из полученных видео ученые затем нарезали фрагменты, в которых каракатица находится в идеальном положении относительно камеры (так, что хорошо видна вся ее спина). Далее использовали специально созданные программы для обработки видео.

Смысл в том, чтобы идентифицировать каждый хроматофор на коже животного и постоянно отслеживать все изменения всех хроматофоров по-отдельности — как в одном видеоролике, так и в разных роликах, на которые попало данное животное в рамках эксперимента. А эксперименты, между прочим, проводились с первого дня жизни каракатиц и вплоть до возраста 252 дня (это немногим меньше 9 месяцев). Подопытных животных было более десяти, а на спине каждого животного отслеживалось более 10 000 хроматофоров.

Работа, само собой, не была бы возможна без тех огромных вычислительных мощностей, на которые способны нынешние компьютеры. В итоге было собрано очень много данных, статистическая обработка которых позволила ответить на ряд вопросов, связанных с морфогенезом системы хроматофоров кожи каракатиц и организацией управления этой системой.

Ученые начали с того, что определили цветовые варианты хроматофоров. Эту работу проводили сначала с использованием изолированных фрагментов кожи взрослой каракатицы. Определили спектр и количество отражаемого света. По интенсивности светоотражения все хроматофоры достаточно четко разделились на темные и светлые. Темные хроматофоры имеют черный или коричнево-черный цвет, а светлые формируют гамму оттенков, плавно переходящих от желтого через оранжевый к красному. Хроматофоры имеют колеблющийся диаметр в пределах 15–100 мкм и расположены, в основном более-менее правильно чередуясь друг с другом: на расстоянии 50 мкм от темного хроматофора скорее всего окажется светлый, а на расстоянии 100 мкм более вероятно снова обнаружить темный хроматофор (рис. 2).

Химический анализ выявил, что цвет светлых хроматофоров определяется пигментом ксантомматином (xanthommatin) — этот пигмент известен своей способностью отражать разные длины волн (от желтого до красного цвета) в зависимости от химических характеристик среды (R. Futahashi et al., 2012. Redox alters yellow dragonflies into red). Хотя в обсуждаемой статье это прямо не сказано, представляется достаточно очевидным, что цвет темных хроматофоров определяется меланином — это общий для всех животных пигмент черно-коричневого цвета.

Следующей задачей стало изучение контроля хроматофоров. Локальное введение в кожу глутамата, как и ожидалось, вызывало сокращения радиальных мышц и увеличение диаметра хроматофоров, при этом они становились немного светлее — вероятно, вследствие уменьшения плотности расположения гранул (рис. 3). Таким образом, у лекарственной каракатицы глутамат действительно является нейромедиатором, регулирующим мышцы хроматофоров, что согласуется с данными более ранних исследований на головоногих.

Далее, используя данные из видео с животными, с помощью статистической обработки, ученые выявили группы хроматофоров, изменения которых происходят скоррелированно. Оказалось, что можно выделить группы хроматофоров, по 3–10 клеток, которые всегда расширяются или сокращаются строго синхронно (в естественных условиях, а также при стимуляции слабым электрическим током). Это явление показано в одном из видео, приложенных к статье. Такие группы хроматофоров исследователи обозначили как «моторные элементы». В основном, эти хроматофоры расположены в непосредственной близости друг с другом, и всегда монохромны, то есть представлены хроматофорами одного цвета (либо темными, либо светлыми). Также статистический анализ позволяет выявлять и более крупные объединения хроматофоров, которые демонстрируют корреляцию в изменениях, но уже менее строгую.

Оказалось, что можно выстроить иерархию таких групп (она отображена на рис. 3 в форме кладограммы), причем по мере повышения уровня иерархии корреляции становятся всё менее устойчивыми, а кластеры начинают становиться все более уравновешенными по цветам — от полностью монохромных моторных элементов, до крупных кластеров, содержащих примерно в равных пропорциях темные и светлые хроматофоры. Крупные кластеры включают не только рядом расположенные, но и достаточно далеко удаленные друг от друга группы хроматофоров в разных частях тела каракатицы.

Третьей задачей было изучение морфогенеза системы хроматофоров в ходе роста животного. Непосредственно после рождения все хроматофоры на теле каракатицы светло-желтого цвета. Затем хроматофоры начинают темнеть: сначала переходя к интенсивному желтому, далее оранжевому и красному цвету (авторы предполагают, что причиной изменения цвета может быть полимеризация ксантомматина), и, наконец, приобретая темную окраску. В течение дальнейшей жизни каракатицы сформировавшиеся хроматофоры уже не исчезают и не изменяют свой цвет. Но вместе с тем, по мере роста животного, постоянно появляются новые хроматофоры. У юного животного ежедневно прибавляется в среднем 4,1% новых хроматофоров относительно уже имеющихся, затем это число постепенно уменьшается, к возрасту в 100 дней составляя в среднем 0,6%. Новые хроматофоры равномерно распределяются по поверхности. Исследователи показали, что этот процесс подчиняется очень простому правилу: новые хроматофоры формируются примерно в центре площади между теми, что сформировались несколько ранее.

Все новообразованные хроматофоры светло-желтые и затем последовательно через оранжевый и красный переходят в темные, после чего, опять же, их цвет более не меняется. Однако время, занимаемое этим процессом, оказалось разным для юных и взрослых животных: у каракатиц недельного возраста желтые хроматофоры проходят весь метаморфоз в темные в среднем за две недели (рис. 4), а новообразованные хроматофоры у каракатиц возрастом 105 дней претерпевают то же превращение за 97 дней. В итоге общее соотношение темных и светлых хроматофоров в течение жизни каракатицы всё же сохраняется приблизительно постоянным.

Здесь есть один любопытный момент: если цвет хроматофора изменяется в течение жизни, то выходит, что стимуляция сокращения и растяжения одного и того же хроматофора в разные сроки его развития должна давать противоположный результат на уровне фенотипа животного. Это делает еще более загадочным вопрос о том, как каракатица умудряется правильно адаптировать расцветку кожи под окружение. Не может же она видеть свою спину и сознательно управлять каждым хроматофором! Авторы выдвигают логичное предположение, что по мере созревания хроматофора должна происходить его реиннервация — то есть изменение групп управляющих им нейронов. Но это предположение всё же нуждается в проверке.

Подведем итоги. Те исследования, которые были сделаны в рамках этой работы, дали весьма внушительное количество новых сведений о развитии и контроле цветовой адаптации у каракатиц. Главное ее достоинство — это метод, продемонстрированный в действии. Но еще больше он ценен теми перспективами, которые он позволяет открыть в дальнейших исследованиях на таком замечательном модельном объекте, как каракатица (да и на других головоногих моллюсках). В частности, авторы оговаривают перечень вопросов, открытых для будущей работы:

1) как именно организована связь визуального восприятия животного и управления цветом (а также и текстурой) кожи; что в действительности стоит за иерархией скоррелированно работающих кластеров хроматофоров;

2) ряд вопросов, связанных с морфогенезом, — здесь можно детально исследовать, как соотносятся локальные взаимодействия между клетками и морфогенез на уровне больших структур тела;

3) на этой модельной системе можно ставить и изучать более широкие вопросы, связанные с организацией нейронного управления поведением, причем в данной системе отслеживание передачи сигналов и ответных реакций происходит опять-таки в буквальном смысле на уровне отдельных клеток.

Подготовлено по материалам: Sam Reiter, Philipp Hulsdunk, Theodosia Woo, Marcel A. Lauterbach, Jessica S. Eberle, Leyla Anne Akay, Amber Longo, Jakob Meier-Credo, Friedrich Kretschmer, Julian D. Langer, Matthias Kaschube & Gilles Laurent. Elucidating the control and development of skin patterning in cuttlefish // Nature. 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0591-3.

Татьяна Романовская

Источники:

1. elementy.ru