Меню

Животные которые меняют цвет своей кожи



Физика в мире животных: хамелеоны и их цвет


Источник: National Georaphic

Хамелеоны — очень необычные животные. Их отличает и способ питания, и система зрения, и возможность изменять цвет тела в зависимости от различных факторов. Раньше ученые считали, что хамелеон выработал способ маскироваться под окружающую среду, защищаясь от хищников. На самом деле, цвет кожи хамелеон меняет в зависимости от температуры воздуха, освещенности, настроения и протекающих в организме физиологических процессов (например, беременность самки).

Каким образом животное меняет цвет кожи? Ученые уже довольно давно выяснили, что причина — в пигментных клетках, которые называются хроматофоры. Эти клетки переводятся с греческого как «краску несущие». Принцип их работы довольно сложен. Каждая такая клетка содержит в цитоплазме пигменты, которые и позволяют коже животного менять свой цвет. Главные пигментные клетки хамелеонов — меланоциты и меланофоры, которые содержат в специфических органеллах (меланосомах) разные модификации меланина. Затем идут ксантофоры, которые содержат каротиноиды, флавины и птеридины, содержащие пигменты цветовой гаммы от желтого до красного.

Эти пигменты размещаются в других органеллах, получивших название птериносомы. Находятся они и в свободном состоянии, в виде капель, размещаясь в цитоплазме. Есть еще иридоциты или гуанофоры, которые содержат кристаллы гуанидина. Эти кристаллы обеспечивают серебристую или золотистую окраску. Под давлением и воздействием химических соединений кристаллы могут изменять местоположение. При увеличении между ними расстояния изменяется и спектр отражаемого кожей цвета. Чем выше зазор, тем выше смещение от синей части спектра к зеленой и затем — к красной.

Как это работает?

Хроматофоры в большинстве своем находятся наиболее глубоком и волокнистом слое кожи животного. Эти клетки содержат зерна пигмента, как и говорилось выше. Причем в некоторых хроматофорах пигментных зерен больше, чем в остальных. Значение имеет еще и расположение пигмента в такой клетке. Он может быть равномерно распределен по клетке, может находиться в ее разветвлениях или прямо в центре. Особенностью хроматофор является то, что пигментные зерна могут перемещаться по такой клетке.


Источник: National Georaphic

Если отростки хроматофоров сокращаются, пигментные зерна начинают концентрироваться в центре клеток. В этом случае кожа хамелеона выглядит беловатой или даже желтой. Если хроматофоры распределяются по ответвлениям хроматофора, кожа приобретает темную, иногда черную окраску. Оттенки окраски кожи хамелеона обуславливаются смешением пигментов обоих слоев. Зеленые тона, характерные для животного, возникают при преломлении солнечных лучей в поверхностном слое. Здесь распределены кристаллы гуанидина, которые и преломляют лучи. В результате хамелеон может довольно быстро изменять свой окрас, сменяя оттенки от беловатого до оранжевого. Интересно то, что изменения могут захватывать лишь часть тела хамелеона, а могут затронуть все его тело, от морды до кончика хвоста. Хроматофоры, кроме прочих возможностей, «умеют» изменять глубину залегания в коже. Чем выше глубина размещения хроматофора, тем бледнее кожа. Чем ярче — тем она более контрастна.

Почему хамелеон меняет свой цвет

На это влияют многие факторы. Их ученые разделяют на две группы. Первая группа — чисто физиологические факторы, это температура окружающей среды, освещение, влажность, голод, обезвоживание, боль. Вторая группа — факторы «эмоциональные». Сюда входят страх, удовольствие, раздражение и все прочее. Во период брачных игр хамелеоны-самцы реагируют друг на друга, изменяя цвета на более яркие при приближении соперника. Самки тоже реагируют, причем беременная самка имеет иную расцветку, чем обычная самка.

Выше уже говорилось, что маскировка — вовсе не приоритет для хамелеона. Но так уж получилось, что хамелеон принимает окраску того места, по которому ползет. Не всегда так получается, но зачастую происходит именно так. И если повредить зрительный нерв животного, оно потеряет способность изменить цвет. Ученые за много лет провели множество экспериментов с хамелеонами. Проведено большое количество наблюдений. Среди них наиболее интересными являются следующие:

Читайте также:  Как рисовать бабочек с цветами

  • Хамелеон с поврежденным зрительным нервом теряет способность изменять свой цвет. Если нерв поврежден у одного из глаз, то кожа на соответствующей стороне тела животного светлеет;
  • Если раздражать спинной мозг хамелеона током, тело светлеет, если удалить спинной мозг, кожа потемнеет;
  • Если хамелеона усыпить при помощи эфира, животное светлеет, если ту же операцию провести при помощи хлороформа — тело животного темнеет;
  • Если раздражать центральный зрительный нерв током, то тело хамелеона темнеет.

Ученые, изучающие хамелеонов, предположили, что управление цветом кожи хамелеона производится при помощи двух типов центров в центральной нервной системе хамелеона. Первый тип можно назвать «волевым», второй — чисто автоматический. Второй тип центров поддерживают цветоизменяющую систему в определенном тонусе. На эти центры оказывают влияние «волевые» центры, которые подавляют действие автоматических центров. Первые вызывают потемнение, вторые — просветление кожи.

Источник

Правила камуфляжа. Биология и математика управляют окраской животных

Зачем нужна необычная окраска?

У Редьярда Киплинга есть сказка о том, как леопард получил свои пятна: когда-то давно все животные на земле были окрашены исключительно равномерно, но потом травоядные ушли в леса, обзавелись полосками, пятнами, а также прочими маскирующими узорами, и хищникам пришлось приспосабливаться к новым условиям. Вскоре после этого сначала почернели люди (Киплинг пересказывает эфиопскую сказку), а потом из охотничьей солидарности они покрыли отпечатками своих рук леопардов, чтобы те снова могли незаметно подбираться к добыче.

Десятки схожих сюжетов о животных можно найти в самых разных уголках мира: даже Чарльз Дарвин считал, что основная функция необычной окраски многих животных — это маскировка, помогающая им либо сливаться с окружающей местностью, либо обманывать зрение хищников (или, наоборот, жертв) и расплываться в их глазах бессмысленными пятнами.

Для многих животных это верно, но не для всех. Например, в исследовании 2016 года канадские, американские и японские ученые показали, что черно-белые полоски зебр не очень хорошо подходят для их естественной среды обитания. Используя данные о зрении львов и пятнистых гиен — главных врагов зебр, исследователи показали, что на открытой местности хищники будут различать полосатых животных так же хорошо, как и своих однотонных родственников. Поэтому окраска зебр, по мнению ученых, не может объясняться классической «камуфляжной» версией.

Часто яркая окраска еще служит для отпугивания хищников, но это тоже не случай зебр. Они, во-первых, не ядовиты, а во-вторых, им совершенно не под кого мимикрировать: в среде обитания зебр нет других ядовитых животных с такой окраской. Поэтому авторы статьи сделали вывод, что полоски несут прежде всего социальную функцию — например, зебры могут их использовать для узнавания сородичей.

Какие вещества окрашивают животных?

У теплокровных животных за окраску отвечает пигмент меланин, который вырабатывают специализированные клетки меланоциты. Меланин бывает разных цветов — черным, коричневым, желтым, красноватым — и содержится в коже, волосах и в радужной оболочке глаза. В отсутствие меланина кожный покров почти бесцветен и подкрашивается только за счет кровеносных сосудов, а с повышением концентрации меланина цвет становится все более насыщенным. Соответственно, темные пятна на шкуре желтоватого леопарда — это области с повышенным активным содержанием меланина.

Читайте также:  Ваз 2110 панель приборов белым цветом

У холоднокровных животных все немного сложнее. Вместо меланоцитов они используют хроматофоры — пигментообразующие клетки, которые не только дают гораздо более разнообразные цвета, но еще и умеют менять свои размеры. Благодаря им хамелон может менять свою окраску в зависимости от температуры окружающей среды или своего настроения. Под кожей хамелеона есть сразу несколько слоев хроматофоров. Самый верхний содержит клетки с красным или желтым пигментом, который может перераспределяться по клеткам хроматофоров и то собираться у них в центре, то растекаться вширь. В первом случае становится виден второй слой, который содержит клетки с пигментом гуанином, который за счет интерференции света может отражать синий цвет. А самый глубокий слой содержит меланин. В зависимости от соотношения «активностей» этих слоев хамелеон может приобретать самые разные цвета — от красного до синего.

Что управляет всеми этими процессами?

«Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции», — говорил советско-американский классик генетики Феодосий Добржанский, и окраска животных здесь не исключение: эволюция отбирает только самые лучшие рисунки, которые помогают их носителям выжить.

Самый яркий пример — бабочка березовая пяденица, Biston betularia. До середины XIX века все они были неприметной серой окраски, которая помогала слиться со стволами деревьев. Но вместе с интенсивным ростом промышленности они стали постепенно чернеть, будто покрываясь сажей, чтобы лучше подходить под новые условия.

В какой-то момент численность черных пядениц была даже в несколько раз больше, чем серых, но потом люди стали бороться с загрязнением воздуха, и теперь их только около 5% от всей популяции. В 2016 году ученые однозначно связали такое адаптивное и обратимое изменение окраски бабочек с мутацией в гене crotex, появившейся в популяции пядениц как раз в середине XIX века. Тогда эта «очерняющая» мутация очень помогала выжить своим обладателям, и в результате, поколение за поколением, их становилось все больше. Но теперь, когда деревья реже покрыты толстым слоем сажи (во всяком случае, в Манчестере), эта мутация уже не актуальна. Так окраска животных может меняться под действием эволюционного отбора даже на протяжении человеческой жизни.

Как формируются сложные узоры?

В 1952 году английский математик Алан Тьюринг в поисках ответа на этот вопрос написал статью, в которой сложные, хаотические складывающиеся узоры объяснялись сравнительно простой моделью. Он предположил, что за окраску животных в простейшем виде отвечает не одно вещество, а два, которые взаимодействуют друг с другом и с разной скоростью диффундируют в пространстве. Первое из них придает окраску, ускоряет синтез второго вещества и медленно диффундирует, а второе обесцвечивает ткань, замедляет синтез первого вещества и диффундирует быстро.

Для пояснения такой модели иногда предлагают представить лесной пожар. Он разгорается сразу в нескольких местах (это «первое вещество»), после чего туда вылетают пожарные расчеты и останавливают продвижение пламени (это «второе вещество») — в результате с высоты птичьего полета мы видим зеленый лес с проступившими пятнами черноты.

Очень важная особенность модели Тьюринга — это ее колебательный характер. Вещество A в этой схеме не превращается скучным образом напрямую в B, а волнообразно меняет свою концентрацию: его становится то чуть меньше, то чуть больше, то снова меньше и так в конце концов оно (все равно) перетекает полностью в B.

Читайте также:  Когда становится цвет глаз у новорожденных детей

Здесь тоже есть классический пример — реакция Белоусова-Жаботинскогого. В ее каноническом случае участвует три вещества — катализатор, органический восстановитель и органический окислитель, которые в сумме с помощью своих промежуточных форм могут давать 80 разных реакций. Все эти реакции хитро переплетены между собой во времени и пространстве (не забываем, что у реагентов разные характерные скорости диффузии), и в результате они «рисуют» своеобразные галлюциногенные узоры.

Характер эти рисунков глобально определяется формой пространства, где взаимодействуют вещества, коэффициентами их диффузии и, отчасти, начальными концентрациями. Все вместе это задает общий мотив узора (пятна, полоски, концентрические окружности), а детали рисунка (как именно будут разбросаны пятна) определяются абсолютно хаотическими факторами вроде неизбежных флуктуаций температуры.

По Тьюрингу подобным образом как раз и получается необычная окраска животных: некоторые факторы (диффундирующие вещества, вступающие между собой в реакции) в хаосе своего взаимодействия определяют активности тех же хроматофоров и меланоцитов, а уже те «переносят» получившуюся «химическую» картинку на кожу.

Долгое время этому предположению были только косвенные подтверждения. В многочисленных моделях по правилам Тьюринга получались самые разные узоры, повторяющие окраску самых разных животных: от тропических рыб-зебр до цесарок. Но молекулярная природа реакций оставалась непонятной.

В 2012 году все немного поменялось. Ученые во главе с Джереми Грином из Кингс-Колледжа показали, что формирование периодических неровностей на нёбе мышей определяется двумя веществами, работающими по схеме Тьюринга, — фактором роста фибробластов (FGF) и ингибитором «Ёжик-соник» (Shh). Конечно, это еще не работа про окраску, но, наверное, скоро придут и они — оригинальная статья Тюринга как раз была не только про пигментацию, но и вообще морфогенез, то есть возникновение и развитие органов.

Есть еще одна математическая модель, которая, по-видимому, определяет окраску животных, — это клеточный автомат фон Неймана. Выглядит она следующим образом: представьте себе плоскую решетку, в которой каждая клеточка может быть либо закрашена, либо нет. Вы можете задавать начальное состояние (красить некоторые клетки) и определять правила эволюции модели — на какие соседние клетки должна «смотреть» каждая отдельная клетка, чтобы вычислить, что с ней будет в следующий момент.

Правила могут быть, например, такими: каждая клетка «смотрит» сразу на всех своих соседей. Если клетка пустая, а трое и более соседей закрашено, в следующий момент времени она тоже закрашивается. Если клетка пустая, а менее трех соседей закрашено, то она тоже остается пустой, и так далее.

Существует огромное количество разных вариаций клеточных автоматов, и некоторые из них тоже повторяют узоры животных — даже более сложные, чем пятна леопарда или концентрические круги. Например, рисунки на раковине моллюска текстильный конус, Conus textile, очень напоминают клеточный автомат, живущий по «правилу 30».

Совсем недавно выяснилось, что сложные узоры клеточного автомата могут быть частным случаем уравнений Тьюринга. Ученые из Швейцарии и России исследовали глазчатых ящериц Timon lepidus, которые рождаются с коричневой кожей, покрытой белыми точками (это классический узор по Тьюрингу), а потом приобретают лабиринтообразный узор из зеленых чешуек разных оттенков. Каждые две недели на протяжении трех лет ученые фиксировали окраску животных, и оказалось, что перекраска ящериц происходит по простым правилам клеточных автоматов.

Параллельно исследователи показали, что уравнения Тьюринга при некоторых условиях (переменные коэффициенты диффузии, определяемые переменной толщиной кожи между чешуйками ящерицы) могут порождать клеточные автоматы. Простые и начальные условия без всякой магии превращались в хаос красоты.

Источник