Почему хамелеон меняет цвет: в его коже работают кристаллы

Хамелеон замечает соперника, и его зелёная кожа постепенно становится жёлтой или оранжевой. Кажется, будто кто-то незаметно подкрутил насыщенность фотографии. На самом деле меняется устройство крошечных отражателей внутри кожи. Важную часть этой работы выполняют кристаллы, которые нельзя разглядеть даже в обычную лупу.

Такой механизм исследователи Женевского университета описали в 2015 году у пантерового хамелеона. Он оказался сложнее популярной истории о ящерице, которая смешивает под кожей краски и точно копирует любой фон. Чтобы разобраться в превращении, учёным пришлось соединить наблюдения за животными, электронную микроскопию и расчёты поведения света.

Хамелеон не выбирает цвет по обоям

Пантеровый хамелеон, Furcifer pardalis, обитает на Мадагаскаре. Взрослые самцы отличаются яркой окраской, причём у животных из разных мест она бывает неодинаковой. Самки и молодые особи тоже способны менять яркость кожи, но особенно выразительное переключение оттенков характерно именно для взрослых самцов.

В опытах самец мог переходить из спокойного состояния в возбуждённое при встрече с другим самцом или потенциальной партнёршей. Зелёный фон становился жёлтым или оранжевым, некоторые голубые участки светлели почти до белого. Красные участки нередко делались ярче, не меняя оттенок столь же сильно. Перестройка занимала несколько минут и была обратимой.

Уже этот пример показывает, почему сравнение с универсальным камуфляжным костюмом неудачно. Окраска участвует в общении: демонстрация сопернику может требовать заметности, а не растворения в листве. Маскировка важна, но объяснять ею каждую смену цвета нельзя. Не стоит и переносить все результаты одного исследования на каждый вид хамелеонов: устройство кожи и доступная палитра различаются.

Два способа получить цвет

Самый знакомый способ окрашивания связан с пигментами. Их молекулы поглощают определённые участки видимого спектра, а остальной свет отражается или проходит дальше. Именно поэтому краска выглядит красной, жёлтой или коричневой. Перемещение пигментных гранул внутри клеток может делать кожу темнее или светлее.

Однако цвет способен появляться и благодаря самой структуре материала. Белый свет состоит из волн разной длины. Когда он встречает достаточно мелкие упорядоченные детали, отражённые волны складываются неодинаково: одни усиливаются, другие ослабляются. Так поверхность может выделять определённый диапазон спектра, хотя внутри нет соответствующей «краски».

Для такой работы размеры деталей должны быть сопоставимы с длинами световых волн. Поэтому цветообразующие структуры бывают настолько маленькими, что их приходится изучать электронным микроскопом. В коже хамелеона это кристаллы гуанина, помещённые в клетки-иридофоры. Гуанин здесь важен не как название вещества из учебника химии, а как материал с оптическими свойствами, отличающимися от окружающего содержимого клетки.

Что именно перестраивается в коже

В верхнем слое иридофоров взрослого самца кристаллы расположены достаточно регулярно. Исследователи сравнили образцы кожи одних и тех же животных в спокойном и возбуждённом состоянии. Размер самих кристаллов существенно не менялся. Зато расстояния между ними различались: в спокойной коже они были в среднем примерно на 30% меньше.

Это принципиальное различие. Хамелеону не требуется за несколько минут вырастить совершенно новые кристаллы или заменить одни молекулы красителя другими. Достаточно изменить промежутки между уже существующими элементами. В результате меняются условия отражения света и диапазон волн, который структура выделяет.

В упрощённом представлении тесно расположенные кристаллы связаны с отражением более коротких волн, а увеличенные промежутки сдвигают отражение к длинноволновой части спектра. Но зелёную кожу нельзя свести к одной синей отражающей решётке: над ней и рядом с ней действуют пигментные клетки. В частности, жёлтые пигменты участвуют в создании видимого зелёного оттенка. Итоговый цвет складывается из работы нескольких слоёв.

По той же причине разные участки животного не обязаны синхронно превращаться из зелёных в красные. Там, где велик вклад красного пигмента, эффект выглядит иначе. Живая кожа представляет собой неоднородную оптическую систему, а не экран, все пиксели которого устроены одинаково.

Как отличили красивую гипотезу от объяснения

Одного совпадения между цветом и расстоянием между кристаллами было бы мало. Поэтому авторы проверили, можно ли воспроизвести изменение на образцах кожи вне организма. Они меняли свойства окружающего раствора, создавая осмотическое воздействие на клетки. Вместе с изменением расстояний в отражающей структуре сдвигался и цвет.

Кроме того, физики построили модель кристаллической решётки, используя размеры, измеренные на микрофотографиях. Расчёты воспроизвели характерный переход отражаемых цветов. Получилась связка из трёх независимых наблюдений: животное меняет окраску, его структура перестраивается, а такая перестройка действительно способна дать нужный оптический результат.

При этом модель не отвечает автоматически на все вопросы. Физическое объяснение смены цвета ещё не раскрывает всю цепочку молекулярных сигналов внутри живой клетки. Исследование показало физическую основу эффекта, а не превратило кожу в полностью разобранный электронный прибор.

Под яркой поверхностью есть ещё один слой

Глубже располагается другая популяция иридофоров. Её кристаллы крупнее и организованы менее упорядоченно. Этот слой исследователи обнаружили у пантеровых хамелеонов обоих полов и разных возрастов, а также у других изученных хамелеонов. В опытах он не демонстрировал такой же смены видимого оттенка, как верхний слой.

Зато он отражал значительную часть ближнего инфракрасного излучения. Человеческий глаз его не видит, но оно участвует в передаче солнечной энергии. Поэтому авторы предположили, что глубокий слой может помогать уменьшать нагрев животного. Наличие отражения измерили, а его экологическую роль ещё предстояло уточнить: один оптический опыт не показывает, как эта система влияет на температуру тела в природе.

Оказывается, под чешуёй соседствуют разные задачи. Одна система делает животное ярче или темнее, другая меняет видимый оттенок, третья способна отражать невидимую часть солнечного света. Переливы хамелеона интересны именно этим устройством: небольшое изменение расстояний на нанометровом уровне превращается в цветовой сигнал, который заметен другому животному через ветви.

Источники

• Teyssier, Saenko, van der Marel, Milinkovitch. Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nature Communications, 2015, DOI: 10.1038/ncomms7368. Фотографии, микрофотографии и графики из рисунков 1 и 2, CC BY 4.0; для статьи уменьшен размер.
• Женевский университет: объяснение открытия.
• Условия CC BY 4.0. Фото хамелеона: Charles J. Sharp / Sharp Photography, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0; использована уменьшенная копия. Объясняющая схема подготовлена для Zagge; она условная и не передаёт масштаб клеток.