Каракатицы (Sepiida) — представители головоногих моллюсков, известные восхитительной способностью менять свою окраску. Эта способность реализуется благодаря особым клеткам кожи — хроматофорам, — наполненным молекулами пигмента. Кожа каракатицы и других животных, умеющих менять окраску, содержит огромное количество (от тысяч до миллионов) клеток, которые образуют отдельные «пиксели» разных цветов, совместно формирующие рисунок на коже животного. Окраска меняется очень быстро — в какие-то миллисекунды. Эти изменения не случайны: животное меняет внешний вид сообразно окружению, чаще всего — стремясь замаскироваться под общий фон.
Изучение физиологической основы контроля хроматофоров у головоногих моллюсков началось в 1960-е годы. Было установлено, что управление этим процессом осуществляет нервная система. Каждый хроматофор окружен группой радиальных мышц, сокращение которых приводит к растяжению хроматофора и увеличению площади соответствующего цветного «пикселя». Эти мышцы управляются через отростки моторных нейронов в мозге животного. В синаптических окончаниях из нейрона выбрасывается нейромедиатор — глутамат, который стимулирует сокращение мышц. Кажется, что управление одновременно сотнями тысяч мышц, регулирующих размеры хроматофоров, должно быть чрезвычайно трудной задачей. Как животные это делают? Вот, к примеру, человеку надо управлять всего парой сотен мышц, и даже это не всегда и не сразу удается делать так точно, как хотелось бы. А такие животные, как осьминог или каракатица, используя свою суперспособность, могут маскироваться буквально с рождения — им не приходится даже учиться!
Чтобы лучше разобраться в этих непростых вопросах, немецкие ученые, чья статья была опубликована на днях в журнале Nature, разработали хитроумную систему, способную отслеживать изменения кожи каракатицы на протяжении многих недель ее жизни с точностью до каждого отдельно взятого хроматофора. И всё это врея каракатицы увеличивались в размере — ведь опыты начинали с новорожденными животными, а растут они достаточно быстро.
В качестве модельного объекта взяли каракатиц Sepia officinalis. «Officinalis» означает «лекарственная»: перетертую в порошок раковинку этого животного когда-то применяли в народной медицине. (Кстати, от латинского варианта sepiaгреческого слова σηπία («каракатица») получила свое название краска сепия, которую до некоторых пор изготавливали из чернил каракатиц.) Взрослое животное этого вида может вырастать до 20–30 см, а рождаются лекарственные каракатицы совсем маленькими — вполне подходящий вид для содержания в экспериментальном аквариуме.
Ученые задались целью, во-первых, установить общие закономерности расположения хроматофоров разного цвета в коже на спинной стороне мантии каракатицы, во-вторых, выяснить, каким образом формируется наблюдаемый паттерн изменения окраски кожи при естественном поведении животного, и в-третьих, проследить процесс формирования и изменения хроматофоров в процессе роста и развития животного.
Работа замечательна именно с точки зрения мощного методического решения. Суть в следующем. Специально разработанная видеокамера снимала животное, находящееся в аквариуме (с частотой 84 кадра в секунду). На пол аквариума укладывали настил с разными вариантами рисунка, чтобы стимулировать каракатицу изменять расцветку. Из полученных видео ученые затем нарезали фрагменты, в которых каракатица находится в идеальном положении относительно камеры (так, что хорошо видна вся ее спина). Далее использовали специально созданные программы для обработки видео.
Смысл в том, чтобы идентифицировать каждый хроматофор на коже животного и постоянно отслеживать все изменения всех хроматофоров по-отдельности — как в одном видеоролике, так и в разных роликах, на которые попало данное животное в рамках эксперимента. А эксперименты, между прочим, проводились с первого дня жизни каракатиц и вплоть до возраста 252 дня (это немногим меньше 9 месяцев). Подопытных животных было более десяти, а на спине каждого животного отслеживалось более 10 000 хроматофоров.
Работа, само собой, не была бы возможна без тех огромных вычислительных мощностей, на которые способны нынешние компьютеры. В итоге было собрано очень много данных, статистическая обработка которых позволила ответить на ряд вопросов, связанных с морфогенезом системы хроматофоров кожи каракатиц и организацией управления этой системой. Посмотреть на результаты работы используемого оборудования и программного обеспечения можно на видео, приложенных к обсуждаемой статье (1 и 2)
Ученые начали с того, что определили цветовые варианты хроматофоров. Эту работу проводили сначала с использованием изолированных фрагментов кожи взрослой каракатицы. Определили спектр и количество отражаемого света. По интенсивности светоотражения все хроматофоры достаточно четко разделились на темные и светлые. Темные хроматофоры имеют черный или коричнево-черный цвет, а светлые формируют гамму оттенков, плавно переходящих от желтого через оранжевый к красному. Хроматофоры имеют колеблющийся диаметр в пределах 15–100 мкм и расположены, в основном более-менее правильно чередуясь друг с другом: на расстоянии 50 мкм от темного хроматофора скорее всего окажется светлый, а на расстоянии 100 мкм более вероятно снова обнаружить темный хроматофор (рис. 2).
Химический анализ выявил, что цвет светлых хроматофоров определяется пигментом ксантомматином (xanthommatin) — этот пигмент известен своей способностью отражать разные длины волн (от желтого до красного цвета) в зависимости от химических характеристик среды (R. Futahashi et al., 2012. Redox alters yellow dragonflies into red). Хотя в обсуждаемой статье это прямо не сказано, представляется достаточно очевидным, что цвет темных хроматофоров определяется меланином — это общий для всех животных пигмент черно-коричневого цвета.
