Біологія
Біологія

Розфарбувати світ. Звідки в живій природі таке різноманіття кольорів?

Наша природа вирує безліччю мальовничих кольорів. Кольорів настільки багато, що натуралістам доводилось використовувати спеціальні каталоги кольорів, щоб точніше описувати знайдених тварин. Наприклад, Чарльз Дарвін, в одному зі своїх щоденників описує змію як «примулово-жовту», а каракатицю - з «гіацинтово-червоними» і «каштаново-коричневими» плямами. Як же вдається природі створювати таке різноманіття, і які механізми лежать в основі кольорів?

The Animal Box Office / YouTube

The Animal Box Office / YouTube

Що таке колір, і як ми його бачимо

Для того щоб розібратися з цим питанням, згадаємо, що таке колір з наукової точки зору, і як ми, люди, сприймаємо кольори. Будь-який колір, що ми бачимо - це світлова хвиля, яку сприймає наше око. Для кожного кольору характерна своя частота хвилі: хвилі фіолетового мають високу частоту, а хвилі червоного - низьку. Сонячне проміння - білий колір - містить у собі хвилі всіх основних кольорів. Коли сонячне світло потрапляє на будь-яку поверхню, частина хвиль поглинається, а частина відбивається. Те, який колір буде мати певний матеріал, якраз і обумовлюється його здатністю до вибіркового поглинання чи відбивання світлових хвиль. Наприклад, листя дерев поглинає хвилі всіх частот окрім зеленого. Відбита зелена хвиля потрапляє в наше око через зіницю, проходить через прозорі структури ока і фіксується на сітківці. В сітківці розташовані спеціальні клітини - колбочки. Існує декілька видів колбочок в залежності від їх чутливості до хвиль певних частот. Збуджені колбочки перетворюють світловий сигнал на електричний та передають його по нервових волокнах у мозок, який аналізує отриманий сигнал і комбінує загальну кольорову картину. Так ми бачимо, що листя зелене. Але як же створюється в природі ця здатність поверхонь до вибіркового відбиття хвиль? Іншими словами, як природа розмальовує світ навколо?

У рослин все просто - пігменти

Уявіть, що ви хочете щось розфарбувати. Що ви зробите? Звісно ж, використаєте фарби. Природа теж використовує фарби, а точніше - пігменти. Біологічні пігменти - це молекули, що продукуються самими живими організмами та здатні вибірково поглинати й відбивати хвилі різних частот. В рослинному світі існує чотири основні класи пігментів. Перш за все, це відомий нам ще зі школи хлорофіл. Він поглинає хвилі синього і червоного кольорів, а натомість відбиває хвилі зеленого спектра. Це забарвлює рослини у зелений колір. Між іншим, енергію хвиль, що поглинає хлорофіл, рослини використовують для фотосинтезу - процесу, завдяки якому продукується кисень. Інша група пігментів - каротиноїди, що відповідають за жовті, помаранчеві та червоні кольори. Вони продукуються деякими рослинами, наприклад, морквою, а також бактеріями. До речі, саме каротиноїди грають роль попередників вітаміну А, який важливий для гарного зору. За червоно-фіолетові кольори в рослинах відповідають пігменти з родини флавоноїдів чи беталаїнів. Різнокольорові квіти, баклажани, ягоди й гриби - це все їхня робота.

Chris Lawton / Unsplash

Chris Lawton / Unsplash

Ми є тим, що ми їмо

На відміну від рослин, тварини не здатні виробляти стільки різноманітних пігментів. Основним пігментом тваринного світу є меланін. Завдяки тому, що існує багато типів меланіну, тварини створюють кольори від пісочно-жовтого, як шкіра лева, до чорного, чи навіть червоного кольорів. Але якщо тварини майже не продукують пігменти, то як же існують яскраво-зелені тропічні жаби, блакитні метелики, папуги й багато інших яскравих тварин? Для цього природа розробила інші механізми формування кольору. Так, деякі тварини отримують своє забарвлення через їжу. Згадайте, наприклад, граціозних рожевих фламінго. Самі фламінго не виробляють рожевого пігменту. Натомість цей пігмент можуть виробляти деякі мікроскопічні водорості. Цими водоростями харчується планктон, в тому числі й рачки артемії, які, своєю чергою, входять до раціону фламінго. Таким чином, фламінго отримує рожевий пігмент водоростей, що й забарвлює їх пір’я в рожевий колір. Цей спосіб добре відомий працівникам зоопарків, які, часом, спеціально додають до раціону фламінго більше рачків артемій, щоб зробити їх більш яскравими й привабливими для відвідувачів. Цим же користуються й ферми з вирощування лосося. Коригуючи раціон лосося, їх м’ясу надають вираженого червоного кольору, щоб покращити його продаж.

Rafael Delboni / Unsplash

Rafael Delboni / Unsplash

Структурні кольори

Але повернімося до блакитних метеликів. А також до блакитних ящірок, папуг, чи навіть, звичайної сойки з блакитними крилами. На сьогодні у світі відома лише одна хребетна тварина, яка здатна виробляти блакитний пігмент. Це рибка мандаринка, що живе у водах Тихого океану і є дуже популярною серед любителів акваріумів. Всі інші блакитні тварини використовують інший оригінальний спосіб формування кольору - структурний. В цьому випадку формування кольору залежить не від хімічних властивостей молекул, як це було з пігментами, а від структури поверхні, на яку падає світло. Класичним прикладом є пір’я павича. Всі бачили яскравий переливчастий хвіст павича. Насправді ж, таке багатство кольору ніщо інше, як ілюзія! Саме по собі пір’я павича коричневе, завдяки присутньому в ньому меланіну. Але має дуже цікаву структуру. Кожна пір’їна складається з багатьох плоских гілочок, а кожна гілочка вкрита шарами прозорих плоских лусочок. При проходженні через ці лусочки біле сонячне світло розсіюється і «розпадається» на різні кольори. А далі вже знайома нам історія: хвилі деяких кольорів поглинаються, інші - відбиваються. Той самий принцип працює й для тварин блакитного кольору. На поверхні вони мають темний шар клітин забарвлених меланіном, а поверх цих клітин - наноскопічні прозорі структури (лусочки, ребра, пластинки тощо). Утворюються мільйони таких собі малесеньких дзеркал. В залежності від відстані, на якій ці структури розташовані одна від одної, вони будуть відбивати світло з різною довжиною хвиль і під різними кутами, забарвлюючи тварин у надзвичайно яскраві, часто переливчасті відтінки. Амфібії теж мають на поверхні шкіри прозорі структури, що відбивають блакитний колір. Але базовий шар клітин, що знаходяться під наноструктурами, містить окрім меланіну ще й жовтий пігмент. Таким чином, жовтий колір змішується з блакитним, і ми бачимо яскраво-зелених жаб і ящірок.

Waldo Nell / Flickr

Waldo Nell / Flickr

«Звідки у леопарда плями?»

Особливу увагу привертають тварини, які не просто забарвлені в певний колір, а розмальовані візерунками. Чорно-білі зебри, плямисті жирафи, тропічні рибки… Як утворюються такі складні орнаменти? Редьярд Кіплінг у своїй казці «Звідки у леопарда плями?» розповідає, що звірі отримали свої візерунки через тіні від дерев, що нерівномірно лягали на їх шкіру. Звичайно ж, це казка. А насправді тут природі в нагоду стає хімія з математикою. Першим про це здогадався англійський математик Алан Тюрінг в 1952 році. Він припустив, що за забарвлення тварин відповідає не одна речовина, а дві. Ці речовини взаємодіють між собою і дифундують з різними швидкостями. Перша речовина надає забарвлення, прискорює синтез другої речовини й повільно дифундує у просторі. Друга ж - пригнічує утворення першої й швидко дифундує. Під час розвитку тварини, коли концентрація першої речовини десь підвищується, це провокує утворення в цьому ж місці другої речовини. Вона починає пригнічувати першу, але через те, що ця друга речовина швидко дифундує, вона «не встигає» повністю знищити першу речовину. Таким чином залишаються осередки першої речовини, що надають забарвлення тварині. Хімікам вдалося знайти речовини, що мали б таку взаємодію, а математики показали, що можна підібрати швидкості дифузії й коефіцієнти реакції між речовинами так, що вся система буде залишатися стабільною.

Nick Hobgood / Wikimedia Commons

Nick Hobgood / Wikimedia Commons

Природний камуфляж

Деякі тварини не просто мають цікаве забарвлення, а й можуть змінювати свій колір в залежності від навколишніх умов. Наприклад, жуки-черепашки роду Charidotella зазвичай відблискують золотом, але якщо їх потривожити, чи їм стає холодно, вони втрачають свій блиск і стають помаранчевими, а потім червоними. Це відбувається через те, що у звичайному стані наноструктури, що містяться у їх надкриллі заповнені рідиною (гемолімфою), що відбиває світло у жовтому спектрі. При стресі ж, відбувається відтік рідини, надкрилля стає прозорим, і стає видно червоне забарвлення черевця жука.

BBC / YouTube

Проте, найбільш вражає здатність до зміни кольору, що притаманна каракатицям та хамелеонам. Маскуючись, вони здатні у лічені хвилини змінити своє забарвлення під навколишнє середовище. Колір цих тварин забезпечується поєднанням пігментів і наноструктур. Зовнішній шар клітин (хроматофори) містить жовті й червоні пігменти. Під хроматофорами розташовані декілька шарів клітин-іридофорів. В середині цих клітин містяться наноструктури здатні розсіювати й відбивати світло. Ці наноструктури поєднані з цитоскелетом клітини, тому при зміні форми клітини, відстань між наноструктурами змінюється, а значить змінюється і частота хвиль, яку іридофори здатні відбивати. У молюска до того ж скупчення клітин-хроматофорів оточені м’язовим кільцем, яке при скороченні чи розтягненні здатне змінювати площу поверхні клітин в сотні разів! Таким чином, пігменти стають більш або менш видимими у певній ділянці шкіри.

Художні здібності природи дійсно є надзвичайними. Вона вміє створювати різноманітні кольори й витончені візерунки, а ще знає, як їх змінити й «перемалювати». Все це надихає вчених на створення нових матеріалів. Структурні кольори вже стали нашою повсякденністю у вигляді, наприклад, голограм для визначення якості товару чи фарб, здатних до зміни кольору. Вже були здійснені перші кроки в створенні матеріалів, що можуть змінювати колір при зміні форми. І багато ще нових ідей вчені щодня позичають в природи!


Автор - аспірант університету Сорбонни в галузі біофізики, випускниця НМУ ім.Богомольця.