Конкурс «Био/Мол/Текст»-2023/2024

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2023/2024.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Пигментная окраска

Пигментная, она же химическая, окраска более распространена среди живых организмов по сравнению со структурной, в силу своей простоты. Как можно понять из названия, такой тип окраски обеспечивается химическим веществом — пигментом-красителем. От пигмента и его химической структуры напрямую зависит цвет поверхности. Химическая структура вещества поглощает определенные части видимого спектра и перенаправляет остальные волны. Такая отраженная часть спектра и воспринимается нами как цвет. Способность отражать волны разного спектра появляется у поверхности в зависимости от ее коэффициента поглощения — способности поверхности поглощать падающие на нее лучи. В случае пигментной окраски коэффициент поглощения зависит от свойств поверхности на уровне химической структуры и угла падения световых лучей.

Например, цвет кожи человека обусловливается концентрацией меланина в кожных покровах. Меланин — один из наиболее известных пигментов — защищает кожу человека от воздействия ультрафиолета. Этот пигмент вырабатывается специальными клетками — меланоцитами. Чем больше пигмента в коже, тем темнее ее цвет. Химическую окраску можно встретить и у многих других организмов. Например, красные фламинго обретают свой цвет благодаря пигментам группы каротиноидов, их птицы получают из своей пищи — рачков. Такая окраска фламинго непостоянна и во многом зависит от питания и освещенности тела. Если у фламинго такой окрас не несет ярко выраженных функций, то для голубоногих олуш подобная окраска очень важна. Они обитают в акватории восточной части Тихого океана. Их лапки окрашены в ярко-синий цвет, обеспеченный пигментами все той же группы — каротиноиды. Свои пигменты олуши получают из рыбы, которой питаются. Яркость окраски на лапках у самцов играет одну из ключевых ролей при выборе партнера самкой. Чем ярче лапки, тем привлекательней самец: насыщенный цвет является маркером здоровья и сытости особи, что способствует развитию их окраски в рамках полового отбора. Хамелеоны также могут менять свой цвет благодаря различным пигментам в клетках кожного покрова. Пигменты находятся в отростках от основной клетки и, в зависимости от близости к поверхности тела того или иного отростка с пигментом, цвет клетки меняется. Но хамелеон обладает не только пигментной, но и структурной окраской, ведь в поверхностном слое кожи есть и кристаллы гуанина, способствующие преломлению света и дающие основной зеленый цвет.

Структурная окраска [1–3]

Структурная окраска — один из способов, обретения цвета у многих живых организмов, ее главным отличием от пигментной окраски является уровень, на котором появляется окрашивающий цвет.

Эволюция структурной окраски уникальным образом переплетается с развитием живых организмов на Земле. За время кембрийского взрыва, начавшегося более 500 миллионов лет назад, разнообразие видов резко возросло, открывая дорогу для развития различных форм и видов окраски. В сравнении с химической окраской, существующей уже более 2500 миллионов лет (с момента появления фотосинтезирующих бактерий), структурная окраска эволюционно моложе и имеет особую роль в адаптации организмов к окружающей среде. Коэволюция хищника и жертвы, то есть совместное развитие способов окраски, зависит от их зрительных систем. Этот процесс способствовал росту разнообразия форм, структур и способов окраски живых организмов, которые мы наблюдаем в современном мире.

Структурная окраска была описана в конце 17 – начале 18 столетия Робертом Гуком и Исааком Ньютоном. И лишь спустя столетие Томас Юнг объяснил причину описанного явления ― интерференцию волн. Это открытие позволило глубже понять природу структурной окраски, продемонстрировав ее сложность и ее эволюционное развитие.

Способы структуризации поверхности [4]

Коэффициент поглощения в случае структурной окраски зависит от рельефа поверхности на макроуровне. В отличие от химической окраски поверхность, окрашенная структурно, изменяет свет с помощью структурных образований в масштабе поверхности, а не молекул, образующих поверхность. Структурные образования отражающей поверхности делятся на четыре типа: интерференцирующие пленки, дифракционные решетки, рассеивающий полупрозрачный слой и фотонные кристаллы. Все они могут пересекаться и присутствовать у одного организма одновременно. От способа структуризации поверхности зависят параметры окраски, такие как разнообразие окрашивающих цветов, зависимость окраски от угла и диапазона освещения и другие.

Образование отражающей поверхности через фотонные кристаллы хорошо заметно на примере пчелы-плотника [5] (рис. 1А). Это насекомое окрашено коричневым, отражающим свет пигментом эумеланином, однако его крылья содержат тот же пигмент темно-синего мерцающего цвета. Чтобы понять причину разницы в цвете, рассмотрим крыло под микроскопом. Крылья пчелы-плотника при увеличении x50 на стереомикроскопе выглядят следующим образом (рис. 1Б): бурая полупрозрачная пленка, на которой расположены полусферы (диаметром около 60 мкм), равноудаленные друг от друга, цветом подобные бурому стеклу. Именно эти полусферы (их и называют фотонными кристаллами) окрашивают крылья насекомого в глубокий темно-синий цвет. Белый свет, то есть излучение всего видимого спектра, падает на поверхность, волны разных длин отражаются от нее под разным углом. Отраженные волны, в зависимости от диапазона, преломляются и гасятся фотонными кристаллами или напрямую воспринимаются нами. Угол падения лучей света играет важную роль, именно поэтому в микроскопе, где освещение падает под прямым углом, мы видим коричневый пигментный цвет.

Другой способ структурной окраски ― интерференция волн в тонком слое полупрозрачной поверхности. Принцип действия интерференции следующий: свет, падающий на тонкую пленку, частично отражается от ее внешней поверхности, а частично проходит через полупрозрачный слой, где все же отражается, но уже от обратной стороны. Если отраженные волны попадают в резонанс друг с другом, мы видим те цвета, волны которых совпали. Если же волны идут в противофазе и гасят друг друга ― они нам не видны. Значение имеют толщина и коэффициент преломления слоя. Имея определенные значения по этим параметрам, многие организмы со структурной окраской отражают волны определенной длины. Интерференция волн может проходить как через один слой, так и через два. Такое же явление образует радугу ― свет преломляется внутри капли, отражаясь от внутренней поверхности капли попадает на землю, где мы его и видим.

Представители структурной окраски

Среди обладателей структурной окраски беспозвоночные достигли наибольшего разнообразия. Чаще всего описывают бабочек, но кроме них структурная окраска встречается у многих членистоногих (рак-богомол, веслоногие, шмель-плотник, многие стрекозы и др.) и других беспозвоночных (гребневики, морская мышь). Обыкновенный павлин, речная утка, щитоносная райская птица, птица трагопан, обезьяна мандрил, рыба голубой неон и многие другие также окрашены не только пигментно, но и структурно.

Гребневики [6] ― удивительный тип морских беспозвоночных животных. Их тело представляет собой двухслойный желеобразный купол с ресничками, с помощью которых они передвигаются. На примере гребневиков особенно хорошо видна взаимосвязь эволюционного развития окраски и системы «хищник — жертва» упомянутой выше. У гребневиков может присутствовать три варианта окрашивания, и все они либо сильнее, либо слабее развиты в зависимости от условий окружающей среды. Химически окрашены далеко не все гребневики, а только некоторые виды глубоководных. У гребневиков Tortugas red химическая окраска обеспечивает мимикрию (сливание по цвету) с хозяином, на котором они живут, а у представителей рода Bathocyroe — скрытие проглоченных ими биолюминесцирующих веслоногих рачков. Биолюминесценция, которая зачастую считается способом свечения, а не окраски, развита у большинства известных видов. У некоторых видов она слишком слаба, и ее можно заметить исключительно в темноте, а у некоторых способность к биолюминесценции отсутствует совсем. Некоторые виды способны выделять люминесцирующие чернила, схожие по длине излучаемых волн с самой особью, что помогает скрываться от хищников. Биолюминесценция гребневиков обеспечивается специальными белками (фотопротеинами), активированными в ходе реакции с кальцием. Считается, что испускание и восприятие света у гребневиков взаимосвязаны, ведь за оба процесса ответственна одна группа генов. Помимо биолюминесценции при движении у гребневиков возникает эффект радуги (рис. 2), который вызван рассеянием света на ресничках и поверхности тела, что также определяет специфику их окраса. Значение этого эффекта в жизни гребневиков пока не определено.

Рак-богомол (рис. 3), или как его еще называют креветка-богомол, обладает рядом удивительных способностей. Это членистоногое обитает в водах Индийского океана и прилегающих к нему морей. Его окрас и органы зрения коэволюционировали, то есть развивались параллельно. Из-за сферической формы глаза и его обособленности не связанные между собой глаза креветки имеют очень большой угол обзора. Глаза рака способны воспринимать инфракрасное, ультрафиолетовое излучение и видимый свет при помощи белков-рецепторов 16-ти типов, для сравнения у человека всего три типа белков-рецепторов. Правда, эффективность такого разнообразия в органах зрения не подтверждена и зачастую ставится под вопрос. Ведь мозг не сравнивает и не обрабатывает все шестнадцать источников одновременно. Но это не отменяет его способности к зрению в разных спектрах. Кроме всего прочего, рак-богомол способен воспринимать и преобразовывать поляризованный свет двух видов — линейный и круговой, которые недоступны человеческому глазу. Основная окраска Рака-богомола — химическая, посредством различных пигментов, находящихся у него в покровном слое кутикулы. Некоторые раки способны изменять свой основной цвет за счет приближения и удаления пигмента от мембраны клетки. На брюшных плавательных ножках и фильтрующих щетинках есть микроворсинки, создающие эффект структурного свечения.

Щитоносная райская птица (рис. 4) — эндемик лесов северо-восточной Австралии и Океании, относится к отряду Воробьинообразные. Окраска самок этого вида проста и малоинтересна, а окраска и поведение самцов интересует орнитологов и биологов других направлений значительно больше. Половозрелые самцы окрашены в глубокий черный цвет, лишь на макушке и груди проявляется яркий неоново-зеленый цвет. Но эта яркость обусловлена цветовой иллюзией. Существует предположение, что абсолютно черные крылья птицы обеспечиваются особой структурой пера, при которой поглощаются практически все волны видимого спектра. Неоновые пятна неестественно ярко выделяются на темном фоне, это также связано с особенностью структуры перьев в этой зоне. Видоизмененные контурные перья имеют воздушные карманы между бородками (то есть отростками от основного стержня). Такие пустоты, ограниченные с двух сторон преломляющей пленкой, создают эффект структурной окраски через интерферирующие пленки. Такая окраска необходима самцам для брачного танца. В брачный период самец исполняет сложный танец, где представляет самке яркий треугольник, образованный грудными контурными перьями.

Структурная окраска в современной науке и технологиях

Значительные прорывы в изучении разновидностей окрасок начались сравнительно недавно и поэтому это направление сейчас стремительно развивается. Отточенный в ходе эволюции механизм может оказаться полезным во многих направлениях развития науки и техники. Так, в некоторых странах ведутся разработки структурных маркеров для уникальных документов и станков для структурной окраски металлических изделий. В области изучения окрасок еще много белых пятен, которые научному миру еще только предстоит открыть.

Литература

1. Кричевский Г.Е. (2010). Структурная окраска. Научно-популярный журнал «Химия и жизнь». 11;
2. Jiyu Sun, Bharat Bhushan, Jin Tong. (2013). Structural coloration in nature. RSC Adv.. 3, 14862;
3. Riccardo Papa, Durrell D. Kapan, Brian A. Counterman, Karla Maldonado, Daniel P. Lindstrom, et. al.. (2013). Multi-Allelic Major Effect Genes Interact with Minor Effect QTLs to Control Adaptive Color Pattern Variation in Heliconius erato. PLoS ONE. 8, e57033;
4. Pete Vukusic, J. Roy Sambles. (2003). Photonic structures in biology. Nature. 424, 852-855;
5. Пчела-плотник. Авторское исследование. (От 3 сентября 2022г.) TKS;
6. Семенов А. Волшебный мир холодных морей. М.: Paulsen, 2016 — 272 с.