Живой камуфляж: как зебрафиш меняет цвет на уровне кристаллов, и при чем тут гормон стресса
Способность животных менять свою окраску всегда поражала воображение ученых. Мы знаем, что хамелеоны используют смену цвета для камуфляжа и общения, а осьминоги — для маскировки и запугивания хищников. Но что происходит на клеточном уровне, какие механизмы управляют этими удивительными метаморфозами? Новое исследование, проведенное на данио-рерио — маленькой аквариумной рыбке, более известной как зебрафиш — приоткрывает завесу тайны над этим удивительным феноменом.
В центре внимания ученых оказались не пигментные клетки, как можно было бы предположить, а иридофоры — клетки, содержащие упорядоченные массивы кристалликов гуанина. Эти кристаллы, подобно микроскопическим зеркалам, отражают свет, создавая переливчатую окраску.
Исследователи обнаружили, что под воздействием норадреналина — гормона стресса — кристаллы гуанина в иридофорах зебрафиша способны изменять свой угол наклона на впечатляющие 20 градусов. Это, в свою очередь, увеличивает расстояние между кристаллами, изменяя длину волны отражаемого света. В результате мы видим, как полоски рыбки меняют цвет с синего на желтый.
Но как именно происходит это изменение угла? Оказалось, что ключевую роль в этом процессе играют микротрубочки — белковые нити, образующие своего рода каркас клетки, и молекулярные моторы — динеины, способные перемещаться по этим нитям. Ученые выяснили, что динеины, прикрепленные к мембране, окружающей кристаллы гуанина, «шагают» по микротрубочкам, изменяя ориентацию кристаллов.
Еще одним важным открытием стало то, что изменение цвета регулируется уровнем циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) — сигнальной молекулы, играющей важную роль во многих клеточных процессах.
Полученные данные позволяют предположить, что подобный механизм изменения структурной окраски может быть распространен и у других животных, обладающих способностью к быстрой смене цвета. Это открытие не только углубляет наше понимание принципов работы живых организмов, но и открывает новые горизонты для создания искусственных материалов с управляемыми оптическими свойствами. Представьте себе одежду, меняющую цвет в зависимости от освещения или настроения владельца! Возможно, в будущем такие фантазии станут реальностью, вдохновленной удивительным миром природы и его микроскопическими чудесами.
Утверждается, что динеины перемещают кристаллы гуанина, «шагая» по микротрубочкам. Но ведь кристаллы заключены в мембрану. Как молекулярные моторы могут двигать целые органеллы?
Дело в том, что динеины не непосредственно контактируют с кристаллами. Они прикреплены к мембране, окружающей кристаллы, и, перемещаясь по микротрубочкам, «тянут» эту мембрану за собой. Таким образом, происходит перемещение всего органоида, содержащего кристаллы.
В статье делается вывод о том, что изменение цвета иридофоров регулируется уровнем цАМФ. Но каким образом гормон стресса норадреналин влияет на уровень цАМФ в клетке?
Норадреналин связывается с рецепторами на поверхности клетки, запуская каскад внутриклеточных реакций. В зависимости от типа рецептора, это может привести к активации или ингибированию фермента, называемого аденилатциклазой. Аденилатциклаза, в свою очередь, отвечает за синтез цАМФ. Таким образом, норадреналин опосредованно регулирует уровень цАМФ, влияя на активность аденилатциклазы.
В статье изучалась реакция иридофоров изолированных чешуек. Можем ли мы быть уверены, что в живом организме всё происходит точно так же?
Действительно, исследования на изолированных клетках и тканях всегда проводятся с определенной долей условности. Мы не можем полностью исключить, что в живом организме на работу иридофоров влияют дополнительные факторы: нервная система, взаимодействие с другими клетками, кровоток
Открытие механизма изменения цвета у зебрафиша — это, безусловно, интересно. Но каково практическое значение этого исследования?
Фундаментальные исследования не всегда преследуют сиюминутную практическую выгоду. Однако, понимание принципов, лежащих в основе изменения цвета у животных, открывает перед нами широкие горизонты. В перспективе эти знания могут быть использованы для:
- Создания новых материалов с уникальными оптическими свойствами: например, камуфляжных покрытий, меняющих цвет в зависимости от освещения, или дисплеев с низким энергопотреблением, работающих по принципу иридофоров.
- Разработки новых методов диагностики и лечения заболеваний: изучение молекулярных механизмов, регулирующих работу клеточных моторов, может помочь в борьбе с заболеваниями, связанными с нарушениями внутриклеточного транспорта, например, болезнью Альцгеймера.
- Глубокого понимания эволюционных процессов: изучение механизмов изменения цвета у разных видов животных помогает проследить эволюцию этих механизмов и лучше понять адаптационные возможности живых организмов.