Какого цвета хамелеон

Иридофоры и ксантофоры

Недавно Мишель Милинкович (Michel Milinkovitch) из Женевского университета выяснил, что для хамелеонов еще важнее иридофоры — клетки, которые не поглощают свет, а преобразуют геометрическую структуру поверхности кожи, заставляя ее искривлять или отражать определенные волны.

М. Милинкович и его коллеги изучили кожу хамелеонов с помощью просвечивающей электронной микроскопии и обнаружили там два слоя иридофор.

Верхний слой был покрыт нанокристаллами гуанина, выложенными в виде четко структурированной решетки.

Фото 2. Поверхность кожи хамелеонов испещрена особыми клетками — иридофорами

Расстояния между отдельными кристаллами в решетке играют ключевую роль в смене окраски: когда самцы находятся в возбужденном состоянии, интервал увеличивается.

Чем больше дистанция, тем сильнее отражается свет с большей длиной волны (красный).

При сближении кристаллов начинает отражаться синий свет.

Затем хамелеонам помогают уже ксантофоры (желтые пигментные клетки): они делают синий цвет зеленым, а красный — оранжевым или желтым.

Милинкович открыл еще и второй уровень кожи с иридофорами, расположенными уже более хаотическим образом. Они очень хорошо отражают свет в ближнем инфракрасном диапазоне.

В жаркой и влажной среде, где живут хамелеоны, эти кристаллы являются важным механизмом защиты от перегрева. Такое строение кожи, по всей видимости, является уникальным.

Науке известны ящерицы, у которых кристаллы выстроены упорядоченным образом, и другие рептилии, на коже которых иридофоры отражают тепло. Однако только хамелеонам в ходе эволюции удалось совместить эти свойства.

Примерно к тем же выводам пришла и группа исследователей из университета Женевы (Швейцария).

Как хамелеон меняет цвета

Было установлено, что изменение цвета происходит в результате изменения температуры, освещения и даже… настроения существа. А «виноваты» в этом особые клетки, называемые хроматофорами. Это греческое слово буквально обозначает «цвет несущий» (chroma – цвет, краска и phoros – несущий).

Хроматофоры расположены как в поверхностном (волокнистом), так и в более глубоком слоях кожного покрова хамелеона и имеют разветвленную структуру. Механизм работы этих пигментных клеток довольно сложен. Он напрямую связан с работой нервной системы рептилии. В цитоплазме хроматофоров содержатся пигменты, обусловливающие окраску кожи хамелеона. Они бывают черными, желтыми, красноватыми, темно-коричневыми.

Зерна пигментов не закреплены в одном каком-то месте, а имеют способность передвигаться по всей клетке, то сосредоточиваясь в центре, то «отползая» к ее концам. Количество этих пигментных зерен в хроматофорах тоже не одинаково: в одной клетке их больше, в другой – самая малость. Следовательно, и расцветка хамелеона из-за этого будет неравномерной.

Да и сами клетки-хроматофоры достаточно подвижны: они могут подняться ближе к поверхности кожи или, наоборот, уйти вглубь. Понятно, что от этого будет зависеть и интенсивность окраски.

Когда отростки хроматофора сокращаются, пигментные зерна собираются в центре клеток, и кожный покров обретает белесоватый или желтый цвет. А когда зерна темного пигмента собираются в ответвлениях клетки, кожа становится темной, даже может почернеть. Разнообразные оттенки получаются в результате при сочетании пигментных зерен обоих слоев – поверхностного и глубокого.

Интересна природа возникновения зеленых тонов: это происходит благодаря преломлению лучей в наружном слое, который содержит много светопреломляющих кристаллов. Из-за этого окраска хамелеона может быстро поменяться: от светлой – через различные яркие типа оранжевой, зеленой, пурпурной – к черной. Причем меняться она может как по всей длине тела пресмыкающегося, так и отдельными полосками и пятнами.

Сатанинский геккон

Еще одно животное, которое является настоящим мастером маскировки, – листохвостый, или сатанинский геккон. Пугающее альтернативное название эта ящерица получила из-за своих больших красных глаз, которые, как и у всех гекконов, не имеют век – только неподвижную прозрачную оболочку. Для очищения и смачивания глаз пресмыкающиеся используют язык.

Листохвостые гекконы встречаются в тропических мадагаскарских лесах. Это одни из самых маленьких представителей семейства. Даже взрослая особь не может похвастаться внушительными размерами, т.к. вырастает всего до 9-15 см. Большая часть длины туловища приходится на плоский широкий хвост, напоминающий увядший лист с неровностями, бугристостями и выемками по краям.

Маскировка этого животного дополняется соответствующей окраской, которая может быть серо-коричневой, зеленой, желтой или темно-коричневой. Полную мимикрию под природный ландшафт геккону обеспечивает необычный рисунок на спине, который как бы повторяет узор листьев с их прожилками и мелкими пятнышками. Эта ящерица неспособна изменять свой внешний вид в зависимости от условий, а потому изначально рождается с набором тех признаков, которые будут спасать ее на протяжении всей жизни.

Животное проявляет активность только в ночное время суток, т.к. его зрительные органы приспособлены именно к темноте. В непроглядных сумерках сатанинский геккон видит лучше человека в целых 350 раз! Селится исключительно в темных местах с достаточной влажностью, например, на низких кустарниках или в опавших листьях.

Зачем хамелеоны меняют свой цвет

Дальнейшие исследования обнаружили, что «показать товар лицом» при знакомстве умеют также и пестрые горные хамелеоны (род Bradypodion), живущие в Северной Африке.

Ученые провоцировали самцов хамелеонов на «дуэль» друг с другом и измеряли насыщенность окраски с помощью спектрометра, который позволял фиксировать излучение не только в видимой, но и в ультрафиолетовой части спектра.

Использование такого прибора показало способность хамелеонов «окрашиваться» также в невидимые человеческому глазу цвета.

Фото 1. Хамелеоны меняют цвет не только для маскировки

По результатам эксперимента не было обнаружено особой зависимости между диапазоном используемых цветов и особенностью местообитания хамелеонов.

Наибольший разброс цветов окраски наблюдался у видов с наиболее ярко выраженным социальным поведением (в данном случае — соревнование двух самцов), а не у видов, живущих в местах с большим количеством разноцветных объектов (трава, стволы деревьев, листья).

Окраска хамелеонов, которые используют максимальное количество цветов, оказалась самой заметной не и только для их сородичей, но и для хищников, что противоречит теории изменения цвета только для маскировки.

Однако зачастую хищникам не удается напасть на ярко раскрашенных особей, поскольку те при малейших признаках опасности способны за несколько миллисекунд «раствориться» на фоне окружающей среды.

Дальнейшие исследования показали, что перемена окраски связана с особыми клетками внутри кожи хроматофорами, перераспределяющими зерна пигментов четырех цветов.

Эти пигменты поглощают видимый свет на всех длинах волн, кроме определенного (красного, например).

Как хамелеон меняет цвет

Хамелеон меняет цвет, активно управляя структурой решетки из нанокристаллов на поверхности кожи. Когда рептилия спокойна, кристаллы упакованы и в этой решетке достаточно плотно и отражают в основном синий цвет.

С другой стороны, когда она становится беспокойной, решетка растягивается, в результате чего кристаллы начинают отражать и другие цвета, такие как и желтый или красный.

Фото 3. При первой опасности этот йеменский хамелеон «сольется» с обстановкой

Ученые раскрыли высокотехнологичные корни камуфляжа хамелеонов, еще более тщательно изучив структуру иридофоров.

Сами эти клетки не являются чем-то необычным и новым — похожие на них кристаллы и структуры встречаются на крылышках многих бабочек, панцирях других насекомых, крыльях птиц и даже в синих складках на мордах павианов-мандрилов.

Главным отличием всех этих животных от хамелеонов является то, что они не могут менять структуру этих светопреломляющих органов.

Сегодня на земле существует всего несколько видов существ, способных менять окраску, и большая часть из них относится к числу головоногих моллюсков.

Однако лишь хамелеоны мастерски пользуются не только пигментами кожи, но и фотонными нанокристаллами, позволяющими управлять светом и с предельной точностью.

Гусеница североамериканского бражника

Гусеницы формируют начальное звено многих пищевых цепочек, поэтому вопрос о том, для чего же этим животным нужна маскировка, отпадает сам собой, – без этого механизма они оказались бы совершенно беззащитными и превратились в легкую добычу для других существ.

Однако мимикрия гусеницы североамериканского бражника поразила даже ученых, – выяснилось, что насекомое способно подражать голосам других живых организмов! Личинка с силой выпускает воздух из специальных отверстий, находящихся на ее теле. Благодаря резкому действию создается громкий свист, имитирующий крик насекомоядных птиц. Такой сигнал пернатые издают при приближении угрозы.

Птица, которая пару секунд назад хотела съесть большое и толстое насекомое, бросается прочь, ведь получает тревожное предупреждение – «рядом опасность». Однако на самом деле так своих врагов обманывает именно гусеница североамериканского бражника, которая остается живой и невредимой в результате хитрой уловки.

Птенец золотистой ржанки

Оба родителя поочерёдно участвуют в насиживании яиц. Гнездо представляет из себя неглубокую ямку в земле, устланную небольшим количеством растительного материала. Сооружается, как правило, на открытом пространстве и лишь изредка между отдельно стоящими деревьями. В кладке по четыре яйца, отложенных с интервалом 2-3 дня. Величина яиц составляет обычно 52 на 52 мм, окраска — жёлто–коричневая с тёмно–коричневым рисунком, сосредоточенным вокруг притуплённой стороны яйца. Птенцы вылупляются спустя 30 дней и сразу же обладают способностью самостоятельно питаться, хоть и оставаясь под присмотром родителей. В случае, если к гнезду приближается хищник, золотистая ржанка начинает отвлекать его от гнезда, чередуя бег показательными остановками, чтобы расстояние до хищника оставалось небольшим.
Пухоспинка розовая (Thyatira batis) — подвид моли, внешний вид которого отлично иллюстрирует понятие отвлекающего окраса. Сбитые с толку, хищники не воспринимают эту светло-темную бабочку как жертву. Такой окрас очень полезен, когда животное перемещается с места на место, а значит фоновая природа всегда разного цвета и фактуры.
Осьминоги и их ближайшие родственники, кальмары и каракатицы, просто изменяют цвет под окружающую среду с помощью специального мускульного аппарата, который контролирует размер пигментных клеток, хроматофор, расположенных внутри кожного покрова. Некоторые виды могут принимать до 30−50 различных оттенков, что делает их камуфляж универсальным.
Имитация — отличный способ замаскироваться где угодно. Дымчатый лягушкорот, австралийская птица, предпочитает претворяться обломанным сучком, а всем известные палочники имитируют сухие прутья.
Визуальный камуфляж — это еще не все. Рыба-арлекин пахнет кораллами, что вкупе с необычным внешним видом позволяет ей оставаться незамеченной для хищников, полагающихся в первую очередь на обоняние.
Природа не только прекрасна, но и жестока. «Убивай, или будешь убит», «кто не спрятался, тот обед» — вот суровая правда жизни, с которой ежедневно сталкиваются все представители мира животных. Одни предпочитают отращивать когти и клыки, другие учатся бегать и прыгать с феноменальной скоростью, а третьи предпочитают сливаться с местностью так, чтобы хищник никогда не смог их обнаружить. За долгие годы эволюции, маскировочные способности некоторых достигли таких впечатляющих результатов, что на первый взгляд они больше похожи на персонажей научно-фантастических фильмов, а не на реальных существ.
Джоанна Холл, зоолог из Лаборатории Камо Бристольского университета, рассказывает, что животные используют широкий спектр различных стратегий в зависимости от окружающей среды, в которой они обитают. Общая тактика — это подбор окраски и формы тела, которая позволяет слиться с фоном. Иногда она однотонная, иногда напоминает пестрый узор. Некоторые существа используют чередование светлых и темных тонов, т.н. disruptive coloration (разрушительный, или отвлекающий окрас), который сбивает хищников с толку.
Еще одна уловка называется «противотень». Солнечный свет, попадая на морских обитателей, освещает их сверху и с боков, в то время как низ тела обычно остается в тени. Акулы, и многие другие водные животные, обычно обладают темным цветом спины и светлыми животами. Эта простая уловка позволяет скомпенсировать разницу в освещении, в результате чего различить животное в воде становится очень непросто: при взгляде сверху оно сливается с темным дном, а при взгляде снизу — с верхними, хорошо освещенными слоями вод.
Большая белая акула отлично иллюстрирует то, как довольно примитивная (особенно в сравнении с другими животными) маскировка может оказаться весьма действенной в определенных условиях. Из-за эффекта противотени увидеть акулу в воде не так-то просто.
Другой тип камуфляжа, пятнистый, отлично подходит для того, чтобы сливаться с местностью на суше. Яркие пятна и насыщенные цвета на первый взгляд кажутся весьма спорным решением, но Холл и ее коллеги полагают, что пятнистый окрас у животных (к примеру, у зебры) дезориентирует хищников. Когда табун зебр на полном скаку удирает от хищных кошек, те видят лишь мешанину черно-белых полос, что мешает охотнику вычленить какую-то конкретную жертву.

Искусственная кожа хамелеона

Вот как работает искусственная кожа хамелеона.

Кремниевая пленка, которая в 1000 раз тоньше человеческого волоса (около 120 нм), крепится на слой силикона, а затем на нее наносятся крошечные (меньше длины волны света) ребра.

Кремниевый слой настолько гибок, что его можно сравнить с кожей, причем крепиться он может практически к любой поверхности.

Изменяемое расстояние между ребрами-рифлениями, или микрогофрами, позволяет получать различные цвета.

Кроме того, материал имеет высокую отражательную способность. Он отражает до 83% падающего света, так что на деле искусственная кожа оказывается столь же яркой, как и кожа настоящего хамелеона.

Фото 5. Хамелеоны — непревзойденные мастера маскировки

Материал производит чистые цвета — от зеленого до желтого, оранжевого и красного. А еще новый материал оказался намного более легким и гибким, чем получалось раньше.

Это первый случай, когда кому-то удалось изготовить гибкую структуру, подобную хамелеоновой коже, которая может изменять цвет просто при сгибании.

Если у вас есть поверхность с определенными структурами, расположенными таким образом, чтобы взаимодействовать с волнами света определенной длины, вы можете изменять ее цвет, влияя на и ее свойства и размеры.

Разработчики полагают, что материал на основе кремния может найти применение при изготовлении энергосберегающих цветных дисплеев, различных камуфляжных материалов и покрытий.

А еще их можно использовать для визуального отображения структурного износа и здании, мостов, крыльев самолетов и других важных конструкций (при появлении трещины слегка изменяется натяжение материала, а значит, даже незначительные трещины станут более заметными для глаза человека).

Исследователи также сумели создать ткань, которая может изменять свой цвет в зависимости от того, каким образом она согнута.

Основой для этого материала стал полупроводник силикон.

В мельчайшие разрезы на его поверхности ученые вставили также силиконовые частицы шириной 120 нм, которые способны отражать волны разного спектра и, соответственно, окрашиваться в разные цвета — зеленый, желтый, красный или оранжевый.

Цвет, в который окрасится ткань, зависит от того, каким образом она согнута или сложена, причем изменяется он мгновенно.

Ну, а в широком смысле речь идет о создании материалов, которые позволят полностью изменить облик нашего мира.

Видео о хамелеонах:

Причины смены цвета хамелеона

Учеными Брюкке, П. Бэром и Крукенбергом также было выявлено, что причины перемены цвета этими пресмыкающимися могут носить как физиологический, так и эмоциональный характер. К первым можно отнести, кроме упомянутых выше, температуру, освещение, повышенную влажность, а также обезвоживание, чувство голода и болевые ощущения; ко вторым – ощущение испуга, состояние агрессии по отношению к противнику или при нежелательной встрече.

Те же ученые пришли к заключению, что нервная система рептилии является основным механизмом, который приводит в движение пигментные зерна в хроматофорах: от ЦНС импульс по нервам передается к каждому хроматофору, вызывая их движение.

Любопытным открытием стало и то, что огромную роль в перемене окраски хамелеона играют его глаза. Экспериментальным путем было установлено, что способность менять цвет кожи у этой рептилии будет утрачена, если повредить зрительный нерв или лишить ее глаз. То есть прослеживается такая цепочка: свет, попадая в глаза и через них подавая сигналы, воздействует на нервную систему, а последняя – на хроматофоры.

Специалисты, исследуя феномен изменения хамелеоном цвета, сделали вывод, что в ЦНС рептилии содержится два центра – автоматический и волевой, и оба они как бы ответственны за изменение окраски пресмыкающегося. Первый «отвечает» за тонус системы цветоизменения и при раздражении кожу осветляет. В свою очередь, автоматический центр находится в зависимости от волевого центра, который подавляет его первый и, следовательно, дает противоположный эффект – кожа темнеет.

Так, проведенные эксперименты показали, что если, к примеру, удалить правый зрительный нерв, то вся правая сторона тела рептилии станет белой и наоборот. Если спинной мозг рептилии раздражать при помощи электрического тока, то это вызовет осветление кожи; если раздражитель убрать – кожа потемнеет.