«Рачки сапфіриниди використовують просунуті оптичні технології, щоб міняти колір і зникати з виду»

Ріс. 1. Самці морських веслоногих рачків сапфіринід чудово красиві: вони то райдужно переливаються на світлу, то раптом зовсім зникають. Так виглядають тільки самці, а самки сапфіринід напівпрозорі і пофарбовані звичайним чином. Фото з сайту roboastra.com

Ізраїльські вчені розгадали секрет краси райдужних рачків сапфіринід. Ці рачки переливаються всіма кольорами веселки, але можуть раптом ставати невидимими. Такою зовнішністю наділені тільки самці, тобто це результат статевого відбору. Як з’ясували вчені, яскраве блискуче забарвлення визначають світлопреломлюючі і відбиваючі кристали гуаніну, розділені шарами клітинної цитоплазми. Саме від товщини цитоплазматичних прошарків залежить колір рачка. А його здатність зникати — це оптичний «обман». Розгадка фокусу в тому, що при певних кутах падіння світла спектр відображення зміщується в ультрафіолетову область і знижується інтенсивність відображеного світла.

Ізраїльські вчені з Інституту імені Вейцмана в Реховоті і Міжуніверситетського інституту наук про море в Ейлаті присвятили своє дослідження одній з найкрасивіших і незвичайних тварин — веслоногим рачкам сапфіринідам (Sapphirinidae). Ці рачки живуть в приповерхневих водах тропічної зони, вони зовсім плоскі, що допомагає їм не тонути, харчуються желетілими — медузами і сальпами, відкладаючи яйця в їх тіло. Але головне, вони, рухаючись, переливаються всіма кольорами веселки, то зникаючи, то знову з’являючись у всій своїй блискучій красі. Це можна побачити на відео, на якому знято мертвий рачок. Живі рачки плавають, звичайно, набагато жвавіше, вертаючись по спіралі. Однак такою захоплюючою зовнішністю можуть похвалитися тільки самці, самки сапфіринід звичайного кольору, хіба що напівпрозорі.

Досліджуючи цей феномен, вчені ще двадцять років тому визначили, що райдужне забарвлення пов’язане з іридофорами — клітинами, що містять кристали гуаніну. Ці кристали досконалої шестикутної форми рівними стосами укладені в цитоплазмі іридофорів (рис. 2). У самок, природно, таких іридофорів з кристалічною начинкою немає. Зате у них прекрасно розвинені очі, а у їх красенів-залицяльників, наприклад у рачків з роду Copilia, очі здебільшого редукуються. Тож сапфіриниди — це яскравий (буквально) приклад статевого відбору, здатного творити надзвичайні форми.

Ріс. 2. Ультраструктура поверхневого шару Sapphirina metallina. (a) — під світловим мікроскопом добре видно шестикутники кристалів гуаніну. (b), (c) — кристали гуаніну і їх правильна упаковка при більш сильному збільшенні. Іридофори (Ir) розташовані під зовнішнім шаром кутикули (Pc). На врізці схематично показані іридофори, що містять стоси кристалів. Малюнок з обговорюваної статті в Journal of the American Chemical Society

Однак залишалося загадкою, які морфологічні структури забезпечують цю чудову зовнішність, якими ознаками маніпулював природний відбір. Одних кристалів гуаніну недостатньо: вони, як з’ясувалося, мають однакову будову і товщину незалежно від видової приналежності і кольору рачка. Тут явно змінювалася ще якась поверхнева структура. Вирішенням цього питання і зайнялися вчені.

Вони наловили планктонною сіткою рачків різних кольорів (а вони мешкають в тому числі і в Ейлатській затоці Червоного моря): синього, червоно-коричневого, золотистого, зеленого і фіолетового. Перші чотири відносилися до виду Sapphirina metallina, а останній — до виду Copilia mirabilis. Для кожного з цих рачків отримали спектр відображення видимого світла. Потім за допомогою кріоелектронного мікроскопа (кріоелектронний метод дозволяє підготувати препарат без деформації природної форми) виміряли товщину стопок гуанінових кристалів: і самих кристалів, і цитоплазматичних прошарків. Далі пішли розрахунки спектрів відображення: у формулах використовувалися оцінки товщини гуанінових кристалів і стосів в цілому, а також відомий коефіцієнт переломлення гуаніну. (Потрібно зазначити, що в розрахунках застосовувалися класичні рівняння оптики з поляризованим світлом; тому для тих, хто шукає цікаві завдання з оптики, дане дослідження стане хорошим навчальним прикладом.) Наприкінці залишилося порівняти практичні вимірювання спектрів відображення з отриманими розрахунковими (рис. 3).

Ріс. 3. П’ять рачків різного кольору: (a)—(d) — Sapphirina metallina, (e) — Copilia mirabilis. У правій колонці — стоси гуанінових кристалів під кутикулою. Лівий графік у кожному ряду — вимірений спектр відображення світла, правий графік — розрахунковий спектр. Cy — товщина цитоплазми з похибкою, Cr — товщина кристалів з похибкою, в дужках вказано число вимірювань n. Малюнок з обговорюваної статті в Journal of the American Chemical Society

Товщина кристалів виявилася у рачків різного кольору приблизно однаковою, а ось товщина цитоплазматичних прошарків лежала в діапазоні від 52 до 200 нм, вчетверо змінюючи товщину всього відбиваючого шару. Розрахункові спектри відображення на рідкість точно збіглися з виміреними. З цього неминуче випливає висновок, що чудове забарвлення рачкам забезпечують не самі кристали, а вся стопка цілком з цитоплазматичними прошарками певної товщини. А вони, будучи звичайною властивістю клітини, можуть легко змінюватися в міру необхідності в ході адаптацій. Іншими словами, товщина цитоплазми стала точкою програми відбору, знадобилося змінювати всього одну властивість, а не прилагоджувати цілий комплекс складних структур.

Попутно з’ясувалося, як рачки можуть миттєво зникати і з’являтися. Все залежить від кута падіння світла. Коли ви змінюєте кут падіння, змінюється спектр відображення. При певних кутах максимум відображення потрапляє в ультрафіолетовий діапазон, який людське око не розрізняє (рис. 4).

Ріс. 4. Зліва — вид Copilia mirabilis при різних кутах падіння світла. Справа — спектр і інтенсивність відбитого світла. Кут падіння в 45 ° перетворює рачка на привида. Малюнок з обговорюваної статті в Journal of the American Chemical Society

І навіть більше того, через подвійне заломлення променів у гуанінових кристалах якщо світло падає під кутом 45 °, то інтенсивність відбитого світла в цілому знижується. Виходить, що, наприклад, блакитна Copilia mirabilis, повернувшись до світла на 30 °, стає фіолетовою, а повернувшись на 45 ° практично зникає, «перефарбовуючись» в ультрафіолет. Винахідникам плаща-невидимки варто було б уважніше придивитися до цього чудового рачка.

Джерело: 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.

Олена Наймарк