Пигменты гигантских моллюсков перевели ультрафиолет в нужный фотосимбионтам свет
Исследователи из Саудовской Аравии выяснили, что пигментные клетки гигантских моллюсков поглощают опасный ультрафиолетовый свет и переиспускают его на больших длинах волн — так, что симбиотические водоросли могут использовать его для фотосинтеза. Таким образом двустворчатые одновременно защищают себя и симбионтов от ультрафиолета и увеличивают интенсивность полезного для них света. Световые взаимодействия между пигментными клетками и хлорофиллами водорослей объясняют разнообразные окраски моллюсков — от ярко-синих до темно-коричневых — пишут исследователи в Frontiers in Marine Science.
Иридоциты — пигментные клетки, в которых чередуются слои белковых пластин, кристаллов гуанина и цитоплазмы. Из-за разных показателей преломления этих слоев пигменты интерферируют световые волны, а отражать могут свет от ультрафиолетового до дальнего красного. В итоге получаются яркие разнообразные цвета — иридиоциты придают блеск покровам рыб, хамелеонов, древесных лягушек и моллюсков. Кроме того, животные могут быстро менять ультраструктуру этих клеток, чтобы те рассеивали или поглощали свет той или иной длины волны. Функции у удивительных пигментов самые разные: они могут предотвращать диффузию газов, защищать от перегрева, быть частью зрительной системы, помогать внутривидовой коммуникации или служить маскировкой.
Гигантские двустворчатые моллюски из рода Tridacna — единственные прикрепленные животные, у которых есть иридоциты. В тканях этих моллюсков живут симбиотические одноклеточные водоросли, которые за счет фотосинтеза кормят животных. Пигментные клетки у двустворчатых находятся по краям мантии, они рассеивают свет глубоко в ткани и увеличивают эффективность фотосинтеза симбионтов. Существует гипотеза, что иридоциты служат еще и в качестве солнцезащитного экрана, отражая подавляющий фотосинтез ультрафиолетовый свет.
Ученые из Саудовской Аравии под руководством Сюзанны Росбах (Susann Rossbach) из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы исследовали фотолюминесценцию иридоцитов моллюсков Тридакна максима (Tridacna maxima). Они изучили строение мантии моллюсков с помощью сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, а затем изучали спектры поглощения и люминисценции на поверхности и в глубине тканей тридакн — для этого на них светили лазером с разными длинами волн.
Поверхность мантии оказалась усеяна шестиугольными ворсинками длиной около одного микрометра. Эти структуры напоминают собирающие свет ворсинки на крыльях бабочек и перьях птиц и, вероятно, служат той же цели — контролировать отражение и рассеяние светового потока. Под поверхностью мантии моллюсков нашли столбики из одноклеточных водорослей, а рядом с ними иридоциты такого же размера (около восьми микрометров в диаметре). Просвечивающая электронная микроскопия позволила разглядеть слои пигментных клеток: белковые, гуаниновые и цитоплазматические.
Спектры поглощения мантии моллюсков отличались на поверхности и на глубине в 500 микрометров. Наружные слои поглощали только ультрафиолетовый свет, а более глубокие — весь спектр от 200 до 700 нанометров. Это объясняется тем, что на поверхности располагается множество иридоцитов, а фотосимбионты находятся глубже в тканях моллюска — они и поглощают свет в области 450-560 нанометров и особенно 675 нанометров (этот пик спектра соответствует поглощению хлорофилла a).
Поглощенный ультрафиолетовый свет (325 нанометров) мантия испускала с большей длиной волны: на поверхности пик фотолюминисценции приходился на 520 нанометров, а на глубине в 300 микрометров — на 365 нанометров. Ученые заключили, что иридоциты не просто поглощают вредный для симбионтов и собственных тканей моллюска ультрафиолет, но и переиспускают его в области, доступной для фотосинтеза.
Затем исследователи сравнили спектры фотолюминесценции мантии тридакны максима и чистого гуанина при освещении красным (633 нанометров), синим (473 нанометра) и ультрафиолетовым (325 нанометров) светом. Ткани моллюска испускали свет, смещенный в область больших длин волн — в частности, при освещении ультрафиолетовым лазером пик спектра мантии приходился на 391 нанометр, с длинным плечом в сторону зеленой области и маленьким пиком на 676 нанометрах. На последнюю длину волны приходились и пики фотолюминесценции при воздействии синего и красного света. Чистый же гуанин смещал спектры гораздо слабее, а при освещении красным светом вообще не люминесцировал.
Получается, иридоциты поглощали разный свет (в том числе опасный ультрафиолетовый) и переиспускали его в областях, которые могли использовать фотосимбионты — особенно на 676 нанометрах, пике поглощения хлорофилла a. Ученые предположили, что световое взаимодействие пигментных клеток и хлорофиллов обуславливает яркие цвета моллюсков: если хлорофилла a относительно много, тридакны красно-коричневые, а если больше иридоцитов, мантия становится ярко-синей. Значит, животные могут самостоятельно менять цвет, регулируя соотношение водорослей и пигментных клеток в мантии.
Открытые оптические механизмы могут послужить вдохновением для создания новых подходов в фотонике. На похожем принципе, например, основаны концентраторы для солнечных батарей, которые придумали в 2018 году. В таких системах два типа переизлучающих пигментов: доноры и акцепторы. Первые поглощают солнечный свет и переиспускают его на акцепторы, а те, в свою очередь, направляют свет на солнечные панели. Таким образом удается собирать свет с относительно большой площади на маленькую панель.
Алиса Бахарева
Виной всему масштабное и преждевременное таяние морского льда
Четыре из пяти колоний императорских пингвинов в центральной и восточной части моря Беллинсгаузена не смогли вывести птенцов в 2022 году. Виной всему масштабное таяние льда, которое началось до того, как молодые особи успели опериться. В результате несколько тысяч птенцов пингвинов, скорее всего, утонули, а их родители покинули колонии. Как отмечается в статье для журнала Communications Earth & Environment, ученые впервые сталкиваются с провалом размножения у императорских пингвинов в пределах целого региона. Однако в будущем из-за антропогенных изменений климата такое будет происходить все чаще, что ставит будущее вида под угрозу. Императорские пингвины (Aptenodytes forsteri) выводят потомство в колониях, расположенных на морском льду вокруг Антарктиды. Они прибывают к местам размножения с конца марта по апрель, а в мае-июне откладывают яйца, из которых спустя два месяца вылупляются птенцы. Пингвинята растут медленно и оперяются только в декабре-январе. Таким образом, чтобы успешно вырастить птенцов, императорским пингвинам необходим стабильный ледовый покров с апреля по январь. Однако, по прогнозам ученых, из-за антропогенных изменений климата площадь льдов вокруг Антарктиды к концу века сильно сократится. В результате более девяноста процентов колоний императорских пингвинов лишатся подходящих мест для размножения, перестанут поддерживать свою численность и исчезнут. Команда орнитологов под руководством Питера Фретуэлла (Peter T. Fretwell) из Британской антарктической службы обнаружила, что по крайней мере в одном регионе Антарктиды императорские пингвины уже в наши дни испытывают серьезные проблемы из-за потери морского льда. Речь о море Беллинсгаузена, которое лежит к западу от Антарктического полуострова. В его центральной и восточной части расположены пять колоний императорских пингвинов, самая большая из которых насчитывает около 3500 пар, а самая маленькая — около 630 пар. Все они были открыты в течение последних 14 лет благодаря изучению спутниковых снимков — и лишь одну из них посещали ученые. В конце 2022 года, когда площадь ледового покрова вокруг Антарктиды находилась на рекордно низком уровне, некоторые части моря Беллинсгаузена начали оттаивать неожиданно рано и уже к ноябрю полностью очистились ото льда. Чтобы понять, как это сказалось на птенцах пингвинов, которые в это время года как раз переходят к самостоятельной жизни, Фретуэлл и его соавторы обратились к спутниковым снимкам всех пяти местных колоний. Исследователи искали на них коричневые пятна, соответствующие пингвиньему помету — по их площади можно судить о численности и успехе размножения колонии. В результате выяснилось, что из-за раннего исчезновения морского льда императорским пингвинам из большинства колоний в море Беллинсгаузена не удалось вывести потомство в 2022 году. Вероятно, птенцы в этих колониях не успели обзавестись водонепроницаемым оперением до того, как лед растаял, в результате чего утонули или умерли от переохлаждения, а их родители просто покинули колонии. Авторы оценивают потери в несколько тысяч молодых особей. В частности, вокруг колонии у острова Смайли, состоящей из примерно 3500 пар, припай разрушился на две недели раньше срока. Из-за этого часть местных пингвинов перебрались на большой айсберг, однако удалось ли выжить кому-то из птенцов, неизвестно. Колонию в заливе Верди осенью прибыло меньше особей, чем обычно — и даже они покинули ее после разрушения морского льда в конце октября — начале ноября. Колония Пфрогнер-Поинт, которая находилась на шельфовом леднике, также исчезла в начале ноября. А месяцем позже похожая судьба постигла колонию Брайант-Кост — после таяния многолетнего припая, на котором она располагалась. Исключение составила лишь небольшая колония у острова Ротшильда. Вокруг него ледовый припай начал разрушаться лишь в конце декабря, благодаря чему около 800 птенцов успели подрасти и опериться (эта цифра была получена во время облета колонии на вертолетах круизного лайнера). Судя по всему, таяние льда около острова Ротшильда замедлилось благодаря особенностям ландшафта и наличию айсбергов вокруг него. Фретуэлл и его соавторы отмечают, что отдельные колонии императорских пингвинов время от времени терпят неудачи, когда морской лед рушится под воздействием сильных штормов. Однако исследователи этого вида никогда не сталкивались с полным провалом размножения у большинства колоний в целом регионе. Более того, до сих пор в море Беллинсгаузена был известен всего один пример, когда колония не смогла вывести ни одного птенца за сезон. В теории императорские пингвины после неудачного года могли бы переместить колонию туда, где ледовые условия более надежны. Однако в море Беллинсгаузена таких мест почти нет. Экстремально низкая площадь антарктического льда в 2022-2023 годах не обязательно напрямую связана с антропогенными изменениями климата (поскольку она сильно колеблется от года к году). Возможно, эта аномалия лучше объясняется тремя подряд годами Ла-Ниньи. Тем не менее, по прогнозам климатологов, по мере того, как планета нагревается, площадь льда вокруг Антарктиды будет сокращаться. А значит, императорские пингвины все чаще будут испытывать серьезные проблемы с размножением, что поставит существование этого вида под угрозу. Магеллановы пингвины (Spheniscus magellanicus), которые обитают на побережьях Южной Америки, тоже страдают от антропогенных изменений климата. Однако для них проблемой стало не отсутствие льда (его в местах их обитания никогда не бывает), а участившиеся волны жары, которые убивают взрослых особей в период размножения. По расчетам зоологов, из-за все более жаркой погоды крупнейшая колония магеллановых пингвинов, расположенная на атлантическом побережье Аргентины, исчезнет в течение ближайших пятидесяти лет.