Используя два слоя клеток кожи, длинноперый губан способен не только изменять ее цвет, но и «видеть» ее изнутри, подстраивая раскраску под изменяющиеся условия среды даже после смерти. Исследование американских ученых позволит найти новые подходы к разработке методов сенсорной обратной связи для роботизированных конечностей и беспилотных автомобилей.
Длинноперый губан способен претерпевать быстрые изменения в окраске кожи. Изменение цвета достигается за счет агрегации ( b ) и диспергирования ( c ) гранул пигмента в хроматофорах с образованием светлых и темных клеток соответственно / © Lorian Schweikert, et al., Nature Communications, 2023
Динамическое изменение цвета (ДИЦ) — метод маскировки некоторых видов животных, способных достаточно быстро изменять окрас своей кожи в зависимости от внешних условий среды. Причем, в отличие морфологического изменения цвета, происходящего от нескольких дней до месяцев, динамическое или физиологическое изменение происходит за несколько минут или еще быстрее. Скорость в этом случае обычно достигается за счет регуляции процесса быстрыми нейронными сигналами, а не медленными изменениями в синтезе гормонов.
Сегодня известно множество животных, способных к ДИЦ. Среди них — и головоногие моллюски, и земноводные, и рептилии, и некоторые виды рыб. Причем во всех этих случаях в основе процесса ДИЦ лежит регулирование специализированных клеток кожи, называемых хроматофорами. Они меняют цвет за счет внутриклеточной реорганизации пигментных гранул, кристаллов или отражающих пластинок.
Помимо хроматофоров, кожа динамически изменяющих цвет животных — от осьминогов до гекконов — содержит еще и клетки, богатые светочувствительными белками опсинами, похожими на те белки, что присутствуют в клетках сетчатки глаз (как палочки и колбочки у человека). Тем не менее неясно, как именно связана работа хроматофоров и опсинов при изменении окраса животных: участвуют ли в процессе обычное зрение и центральная нервная система, или ДИЦ достигается независимо, лишь посредством локального взаимодействия между клетками кожи?
Для изучения этого вопроса группа американских биологов буквально рассмотрела под микроскопом кожу длинноперого губана Lachnolaimus maximus — рифовой рыбы, известной своей способностью к изменению цвета от белого до красноватого и пятнисто-коричневого даже некоторое время после смерти. Механизм ДИЦ у L. maximus оказался основан на двух слоях клеток кожи: верхний состоит из хроматофоров, наполненных гранулами трех видов пигментов (красного, желтого или черного цвета), а под ним расположен слой клеток, содержащих светочувствительные белки.
Значит, свет, попадающий на кожу, должен сначала пройти через хроматофоры, прежде чем достигнет светочувствительного слоя. При этом, если гранулы пигмента скапливаются в определенном месте хроматофоров, то последние становятся более проницаемыми для света. В противном случае, когда пигмент равномерно распределен по клетке, она приобретает соответствующий цвет. На эти изменения реагируют нижележащие клетки через белки опсины и по системе обратной связи влияют на распределение пигментов в хроматофорах.
Хотя точный механизм этой связи авторы работы не уточнили, они предполагают, что сначала сигналы к изменению цвета кожи L. maximus улавливают из окружающей среды при помощи обычного зрения. После чего в хроматофорах происходят изменения плотности распределения пигментов, которые контролируют кожные фоторецепторы для более точной настройки камуфляжа.
Таким образом, рыбы губаны способны в каком-то смысле «видеть» цвет своей кожи и оперативно изменять его при необходимости. Однако исследователи подчеркнули, что кожа L. maximus не равноценна глазу, ведь она не связана зрительными нервами с головным мозгом рыбы и не способна формировать изображения.
По словам авторов, их исследование может дать старт разработке новых методов сенсорной обратной связи для таких устройств, как роботизированные конечности и беспилотные автомобили, которые должны точно настраивать свои характеристики, не полагаясь исключительно на зрение или видеокамеру.
Подробности исследования описаны в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
