Спящие стеклянные лягушки спрятали эритроциты в печени и стали прозрачнее

Зоологи выяснили, что стеклянные лягушки во время дневного отдыха выводят эритроциты из кровотока и прячут их в печени. Так они повышают прозрачность тканей и становятся менее заметными для хищников. По оценкам исследователей, в печени спящей стеклянной лягушки в среднем хранится 89 процентов эритроцитов. Однако после пробуждения красные кровяные тельца быстро возвращаются в кровоток. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Science.

Многие морские и пресноводные, а также некоторые наземные животные в процессе эволюции стали прозрачными или полупрозрачными. Это позволяет им скрываться от хищников на любом фоне. Однако, хотя прозрачность кажется идеальным камуфляжем, она требует целого ряда приспособлений, который свели бы к минимуму поглощение и рассеяние света тканями. Неудивительно, что добиться прозрачности довольно трудно.

Позвоночным животным особенно непросто стать прозрачными, поскольку в их кровеносной системе циркулируют содержащие гемоглобин эритроциты, которые сильно поглощают синий и зеленый свет. Некоторые рыбы, например, белокровки (Channichthyidae) и личинки угрей (Anguillidae), обошли это ограничение, просто отказавшись от производства гемоглобина и эритроцитов. Кислород они получают не через жабры, а благодаря газообмену сквозь кожу и слизистые оболочки.

Команда зоологов под руководством Карлоса Табоады (Carlos Taboada) из Дьюкского университета решила выяснить, как решают данную проблему стеклянные лягушки (Centrolenidae) из джунглей Центральной и Южной Америки. Эти амфибии хорошо известны благодаря прозрачной коже и мышцам на брюшной стороне тела, сквозь которые можно увидеть скелет и внутренние органы. При этом верхняя сторона их тела полупрозрачная и окрашена в разные оттенки зеленого. Предполагается, что такая окраска делает стеклянных лягушек почти невидимыми для хищников, когда в светлое время суток эти ночные амфибии спят, сидя на поверхности листьев.

В отличие от белокровок и юных угрей, стеклянные лягушки во взрослом состоянии живут на суше и потому не могут обойтись без гемоглобина и эритроцитов. Циркулирующие в крови эритроциты должны нарушать маскировку этих амфибий, поскольку они поглощают свет в той части спектра, которая отражается растительностью. Тем не менее, как установили Табоада и его коллеги, это не происходит. Их наблюдения показали, что спящие крапчатые стеклянные лягушки (Hyalinobatrachium fleischmanni) поддерживают прозрачность во время дневного отдыха.

В попытке разобраться, как крапчатым стеклянным лягушкам удается оставаться прозрачными, не отказываясь от эритроцитов, исследователи сфотографировали одиннадцать представителей этого вида, когда те спали, бодрствовали и призывали самок песней, а также после физической активности и под наркозом. Оказалось, что во время сна лягушки становятся более прозрачными. По оценкам авторов, тело отдыхающей лягушки пропускает на 34-61 процент больше света по сравнению со всеми остальными состояниями (p < 0,0001).

Во время экспериментов Табоада и его соавторы заметили, что в крови спящих стеклянных лягушек почти нет эритроцитов. Однако когда эти амфибии пробуждаются, концентрация эритроцитов в их крови резко возрастает. Воспользовавшись оптической спектроскопией, исследователи подтвердили, что повышенная прозрачность спящих лягушек связана с низкой концентрацией эритроцитов в их крови.

На следующем этапе ученым предстояло выяснить, куда исчезают эритроциты стеклянных лягушек во время отдыха. Поскольку анестезия и большинство видов эвтаназии меняют циркуляцию крови этих амфибий и делают их ткани менее прозрачными, авторам пришлось искать скопления красных кровяных клеток у спящих особей. Исследования осложнялись тем фактом, что эритроциты лягушек могли храниться в сердце, печени или сосудах органов пищеварения, которые окружены непрозрачными зеркальными мешочками, рассеивающими свет за счет кристаллов гуанина.

Обойти все эти технические трудности Табоаде с коллегами помогла фотоакустическая микроскопия. Данный метод позволяет визуализировать молекулы за счет того, что они испускают часть поглощенного света в виде ультразвуковых волн. Так можно заглянуть глубоко в биологические ткани. Исследователи настроили приборы на поиски содержащегося в эритроцитах гемоглобина, после чего с помощью двух разных подходов просканировали тела трех спящих и трех находящихся под анестезией стеклянных лягушек. В результате выяснилось, что во время отдыха концентрация циркулирующих в крови эритроцитов у этих амфибий падает на 82-93 процента, а присутствие гемоглобина заметно почти исключительно в печени. Дополнительная визуализация кровеносных сосудов в мышцах и коже на животе и бедрах стеклянных лягушек позволила уточнить, что в среднем во время сна они изымают из кровотока 89 процентов эритроцитов.

Чтобы проверить, действительно ли стеклянные лягушки накапливают эритроциты в печени, когда отдыхают, и выпускают их обратно в кровоток, когда активны, авторы просканировали печень двенадцати особей во время сна и физических нагрузок. Выяснилось, что после нагрузки уровень гемоглобина в печени падает на 83 процента, однако возвращается к прежним уровням после периода восстановления. На это уходит около 60 минут — и за этот же срок возвращается прежний уровень прозрачности.

Таким образом, спящие в течение дня стеклянные лягушки действительно выводят эритроциты из кровотока и хранят их в печени, а именно, как подтвердил гистологический анализ, в крупных и растяжимых синусоидных капиллярах. Здесь красные кровяные клетки не видны благодаря окружающему печень зеркальному мешочку. Поскольку во время сна в лишь 3,4 процента общего гемоглобина стеклянных лягушек связаны с кислородом, в этом состоянии они, вероятно, резко замедляют метаболические процессы или переходят на неокислительный метаболизм. Когда же с приходом ночи лягушка просыпается и переходит к активности, она вновь выпускает эритроциты в кровоток. Интересно, что во время сна объем печени стеклянных лягушек из-за большого количества запасенных в ней красных кровяных телец увеличивается в среднем на 40 процентов.

Табоада и его соавторы отмечают, что способность лягушек хранить эритроциты в печени известна уже давно. Например, съедобные лягушки (Pelophylax esculentus) удерживают в синусоидах печени излишки красных кровяных телец и выпускают их в кровоток по мере необходимости. При шести градусах Цельсия, когда в воде растворено много кислорода, эти амфибии хранят в печени до 44 процентов эритроцитов, а при восемнадцати градусах Цельсия все они уходят в кровоток. Вероятно, стеклянные лягушки просто усилили и приспособили для обеспечения прозрачности механизм, который уже существовал у их предков.

В ходе дополнительных экспериментов авторы установили, что у тропических лягушек из семейств квакш (Hylidae), безухих квакш (Allophrynidae) и мантелл (Mantellidae), тела которых непрозрачны, концентрация эритроцитов в крови во время отдыха снижается лишь на 12 процентов, а не на 80-90, как у стеклянных лягушек. Объем их печени во сне также не меняется.

Результаты исследования демонстрируют, что стеклянные лягушки обеспечивают прозрачность, регулируя циркуляцию эритроцитов. Однако как им удается концентрировать красные кровяные тельца в одном месте и избегать при этом тромбозов, пока остается неясным.

Несмотря на то, что стеклянные лягушки полупрозрачны, они могут использовать визуальные демонстрации для общения с сородичами. Как выяснили зоологи из Эквадора и США, самцы вида Sachatamia orejuela привлекают самок и маркируют границы территории не только высокочастотным пением, но и с помощью кивков головой и размахиваний лапками. Поскольку этим амфибии живут у водопадов, которые заглушают их крики, полагаться только на звуковую коммуникацию не могут.