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