Кілька років тому під час риболовлі на островах Флорида-Кіс біолог Лорі Швайкерт зіткнулася віч-на-віч з незвичайним явищем швидкої зміни. Вона впіймала і витягла рифову рибу, яка називалася свинею, і закинула її на борт. Але пізніше, коли вона хотіла покласти його в холодильник, помітила дещо дивне: її шкіра набула того ж кольору та візерунка, що й палуба човна.
Риба-свиня, поширена в західній частині Атлантичного океану від Північної Кароліни до Бразилії, відома своєю шкірою, що змінює колір. Цей вид може за кілька мілісекундів змінюватися від білого до плямистого і червонувато-коричневого, зливаючись з коралами, піском або камінням.
Проте Швейкерт була здивована, тому що ця риба-свиня продовжувала маскуватися, хоча її вже не було в живих. Це змусило її задуматися: чи може риба-свиня виявляти світло, використовуючи лише шкіру, незалежно від очей та мозку?
“Це відкрило для мене всю цю сферу можливостей”, – сказала Швейкерт.
У наступні роки Швейкерт почала досліджувати фізіологію «шкірного зору» як постдокторанта в Університеті Дьюка та Міжнародному університеті Флориди. У 2018 році Швейкерт і біолог з Дьюка Зенке Джонсен опублікували дослідження, що показує, що риба-свиня несе ген світлочутливого білка, званого опсином, який активується в їхній шкірі, і що цей ген відрізняється від генів опсину, виявлених у їхніх очах.
Було виявлено, що інші тварини, що змінюють колір, від восьминогів до геконів, також виробляють світлочутливі опсини у своїй шкірі. Але неясно, як саме вони використовують їх для зміни кольору.
«Коли ми виявили це у риби-свиня, я подивився на Зєнці і запитав: «Навіщо детектор світла у шкірі?» сказала Швейкерт, нині доцент Університету Північної Кароліни у Вілмінгтоні.
Одна з гіпотез у тому, що світлочутлива шкіра допомагає тваринам сприймати довкілля. Але нові результати передбачають іншу можливість — «що вони могли використати це, щоб бачити себе», — каже Швейкерт.
У дослідженні, опублікованому в журналі Nature Communications, Швейкерт, Джонсен та колеги об’єдналися, щоб ближче вивчити шкіру свині. Дослідники взяли шматочки шкіри з різних частин тіла риби та сфотографували їх під мікроскопом.
Поблизу шкіри свині виглядає як картина пуантилістів. Кожна кольорова точка є спеціалізованою клітиною, яка називається хроматофором, що містить гранули пігменту, який може бути червоним, жовтим або чорним. Саме рух цих пігментних гранул змінює колір шкіри. Коли гранули поширюються по клітині, колір стає темнішим. Коли вони збираються в крихітну пляму, яку важко побачити, клітина стає прозорішою.
Потім дослідники застосували метод імуномечення, щоб виявити білки опсину у шкірі. Вони виявили, що у риби-свині опсини не виробляються в хроматофорних клітинах, що змінюють колір. Натомість опсини розташовуються в інших клітинах безпосередньо під ними.
Зображення, зроблені за допомогою електронного трансмісійного мікроскопа, виявили раніше невідомий тип клітин, розташований трохи нижче хроматофорів і упакований білком опсином.
Це означає, що світло, що потрапляє на шкіру, має спочатку пройти через заповнені пігментами хроматофори, перш ніж воно досягне світлочутливого шару, каже Швейкерт.
За оцінками дослідників, молекули опсину у шкірі свині найбільш чутливі до синього світла. Це довжина хвилі світла, яку пігментні гранули в хроматофорах риб поглинають найкраще. Результати показують, що світлочутливі опсини риб діють як внутрішня плівка Polaroid, уловлюючи зміни у світлі, яке здатне фільтруватися через заповнені пігментом клітини вище, коли гранули пігменту групуються або розгалужуються.
“Тварини можуть буквально сфотографувати власну шкіру зсередини”, – сказав Джонсен. “У якомусь сенсі вони можуть сказати тварині, як виглядає її шкіра, оскільки вона не може нахилитися, щоб подивитися”.
“Для ясності: ми не стверджуємо, що шкіра свині функціонує як око”, – додала Швейкерт. Очі роблять більше, ніж просто виявляють світло – вони формують зображення. “У нас немає жодних доказів того, що саме це відбувається з їхньою шкірою”, – каже Швейкерт.
Швидше, це механізм сенсорного зворотного зв’язку, який дозволяє рибі-свині стежити за зміною кольору своєї шкіри й точно налаштовувати її відповідно до того, що вона бачить на власні очі.
“Здається, вони спостерігають за зміною свого кольору”, – каже Швейкерт.
Дослідники кажуть, що ця робота важлива, оскільки вона може прокласти шлях до нових методів сенсорного зворотного зв’язку для таких пристроїв, як роботизовані кінцівки та безпілотні автомобілі, які повинні точно налаштовувати свої характеристики, не покладаючись виключно на зір чи відеокамеру.
«Сенсорний зворотний зв’язок — це один із прийомів, який технологія все ще намагається з’ясувати», — сказав Джонсен. «Це дослідження є гарним аналізом нової сенсорної системи зворотного зв’язку».
“Якби у тебе не було дзеркала і ти не міг би зігнути шию, як би ти дізнався, що ти одягнений відповідним чином?” – каже Швейкерт. “Для нас це може не мати значення”, – додала вона. Але для істот, які використовують свої здібності змінювати колір, щоб сховатися від хижаків, попередити суперників або домогтися розташування партнерів, це може бути життя або смерть.