Как хамелеон меняет цвет механизм: причины и механизм смены окраски кожи

Реклама

Хамелеоны создали довольно солидную репутацию на двух общепринятых убеждениях: они могут незаметно сливаться с окружающей средой, и они являются идеальными объектами для культовых гимнов 80-х годов. Но оказывается, что один из этих предполагаемых фактов не совсем верен — на самом деле, все, что вы думаете о хамелеонах и их способности менять цвет, вероятно, отсталый.

«Свойства хамелеонов, изменяющие цвет, на самом деле не помогают им гармонировать, а их естественное, расслабленное состояние — то, что помогает им сливаться», — говорит Даниэль Флинн, менеджер по маркетингу Общества охраны природы Калифорнии в Оклендском зоопарке.«Выражение« сливаться как хамелеон »не совсем точное, означающее, что эти ящерицы изменяют свой внешний вид не для того, чтобы соответствовать ему, а для того, чтобы выделиться».

Это все о иридофорах

Ученые долго считали, что хамелеоны меняют свою окраску так же, как осьминоги меняют оттенки, но биологи и физики в последнее время несколько поняли, что что-то еще происходит полностью. «Изменение цвета, которое вы видите, основано на структурных изменениях кристаллоподобных клеток, называемых иридофорами под кожей, которые преломляют свет», — говорит Флинн.

Когда что-то волнует или волнует хамелеона, вещи начинают становиться интересными. «Когда они возбуждаются, чувствуют угрозу или хотят показать себя позитивно по отношению к партнеру или негативно по отношению к сопернику, кристаллы отделяются или сжимаются и испускают вид разных цветов», — говорит Флинн.

В исследовании 2015 года, опубликованном в журнале Nature Communications, исследователи из Женевского университета в Швейцарии показали, что иридофоры действуют как крошечные зеркала, которые избирательно отражают и поглощают разные цвета.В то время как у многих животных есть цветовые рисунки — например, птицы и рыбы — клетки, которые делают возможным их яркие дисплеи, обычно поглощают или отражают определенные области спектра видимого света. Клетки хамелеона различны — иридофоры могут фактически поглощать или отражать любых цветов спектра.

«Некоторые виды меняют больше цветов, чем другие», — говорит Флинн. «Например, некоторые из них будут менять оттенки от светлых до более темных, в то время как другие изменят свои цвета на более яркие, яркие.Есть довольно много разновидностей, таким образом, есть много отклонения. Среди всех них они могут изменять различные типы цветов — даже цвета, которые не видны человеческому глазу! «

Пигменты внутри иридофоров обычно содержатся в крошечных мешочках, но когда настроение хамелеона меняется, его нервная система активирует клетки, чтобы сокращаться или расширяться. Когда животное расслаблено, клетки остаются близко друг к другу и отражают короткие волны, как синий.Прилив волнения толкает эти клетки дальше друг от друга, позволяя каждому иридофору отражать более длинные волны, такие как красный, оранжевый и желтый.

Но если естественным образом расслабленные клетки отражают синий цвет, почему охлажденные хамелеоны обычно зелены, как и их окружение? «В основном, когда хамелеон расслаблен, он естественно виден зеленым, чтобы помочь им маскироваться под зеленые листья и деревья», — говорит Флинн. «Это связано с естественным желтым пигментом в сочетании с расслабленным состоянием кристаллических клеток, которые отражают синий свет.Синий плюс желтый равен зеленому. «Быть ​​зеленым может быть нелегко, но это необходимо для хамелеона, у которого нет реальной защиты; смешивание — это лучшая ставка против хищников.

Итак, если изменение цвета происходит из-за специальных клеток под кожей, почему эти эффекты являются внешними? Внешний слой кожи хамелеона фактически прозрачен. Под этим внешним слоем лежит еще несколько слоев, содержащих различные специальные навыки, в том числе синие и белые светоотражающие иридофоры.Что действительно дико, так это то, что если хамелеону нужна резкая быстрая смена (например, когда он пытается похвастаться перед потенциальным партнером), он может быстро сбросить свои наружные слои кожи, чтобы в спешке подвергнуть иридофоры воздействию прямых солнечных лучей.

Узнайте больше о хамелеонах в «Joy Cowley» Chameleon, Chameleon . HowStuffWorks выбирает связанные названия на основе книг, которые, как нам кажется, вам понравятся. Если вы решите купить один, мы получим часть продажи.

Почему хамелеоны меняют свой цвет?

Вы когда-нибудь хотели, чтобы вы могли сливаться с фоном? Возможно, вы забыли прочитать все домашние задания, и учитель призывает вас. Разве не было бы здорово, если бы ты мог выглядеть как стол и стул?

Если вы фанат ящериц, вы, вероятно, уже знаете, что есть некоторые типы ящериц — называемые хамелеонами — которые могут изменить свой цвет. Задумывались ли вы, почему — и как — они могут это сделать?

Хамелеоны — это ящерицы, которые являются частью научного семейства Chamaeleonidae.В дополнение к способности изменять цвет, хамелеоны имеют много других характеристик, которые делают их особенными, в том числе похожие на попугая ноги, глаза, которые могут смотреть одновременно в двух разных направлениях, длинные языки и хвосты.

Хамелеоны бывают разных цветов, таких как розовый, синий, оранжевый, красный, желтый, зеленый и бирюзовый. Их можно найти в Африке, Европе, Азии и Северной Америке. Существует около 160 различных видов хамелеонов, и они могут жить как в дождевых лесах, так и в пустынях.

Многие считают, что хамелеоны меняют цвет, чтобы замаскировать себя и спрятаться от хищников.Однако хамелеоны очень быстрые — многие могут бегать со скоростью до 21 мили в час — и могут довольно легко избежать большинства хищников. Таким образом, камуфляж является лишь вторичной причиной, по которой большинство хамелеонов меняют цвет.

Так зачем им менять цвета? Ученые считают, что хамелеоны меняют цвет, чтобы отражать их настроение. Тем самым они посылают социальные сигналы другим хамелеонам. Например, более темные цвета означают, что хамелеон злится. Более светлые цвета могут быть использованы для привлечения партнеров.

Некоторые хамелеоны также меняют цвета, чтобы помочь своим телам приспособиться к изменениям температуры или света.Например, хамелеон, который остывает, может измениться на более темный цвет, чтобы поглощать больше тепла и нагревать свое тело.

В течение многих лет ученые полагали, что хамелеоны меняют свой цвет, манипулируя специализированными клетками — так называемыми хроматофорами — которые содержат разные цвета пигмента. Например, когда хамелеон хочет передать определенное настроение или сообщение, его мозг посылает сообщение своим хроматофорам, которые затем перемещают пигменты, чтобы изменить цвет хамелеона.

Сегодня исследователи считают, что пигменты — не единственный механизм, который хамелеоны используют для изменения цвета.В то время как пигменты могут объяснить более теплые тона, такие как зеленые, они не могут объяснить более яркие тона, такие как красные и желтые.

Недавние исследования показали, что хамелеоны также имеют специальный слой клеток, называемый иридофорами, под кожей. Эти специальные клетки, которые содержат пигмент и отражают свет, состоят из сотен тысяч кристаллов гуанина. Хамелеоны могут расслаблять или возбуждать свою кожу, заставляя эти особые клетки двигаться и изменять структуру. Исследователи обнаружили, что, когда это происходит, эти клетки действуют как призмы, отражая свет различной длины волны, создавая различные оттенки, которые мы видим.

| Живая наука

Странная способность хамелеона менять цвет издавна загадывала людей, но теперь секрет ящерицы раскрыт: хамелеоны могут быстро менять цвет, регулируя слой специальных клеток, расположенных внутри их кожи, согласно новому исследованию.

В отличие от других животных, которые меняют цвет, таких как кальмар и осьминог, хамелеоны не изменяют свои оттенки, накапливая или рассеивая пигменты в своих клетках кожи, обнаружили исследователи.Исследователи говорят, что вместо этого ящерицы полагаются на структурные изменения, которые влияют на то, как свет отражается от их кожи.

Чтобы исследовать, как рептилии меняют цвет, исследователи изучили пять взрослых самцов, четырех взрослых самок и четырех хамелеонов-пантер ( Furcifer pardalis ), разновидность ящерицы, обитающей на Мадагаскаре. Ученые обнаружили, что хамелеоны имели два наложенных друг на друга толстых слоя клеток иридофора — радужные клетки, которые имеют пигмент и отражают свет. [См. Фотографии изменяющих цвет хамелеонов]

Ячейки иридофора содержат нанокристаллы различных размеров, форм и организаций, которые являются ключевыми для драматических цветовых сдвигов хамелеонов, говорят исследователи.Они обнаружили, что хамелеоны могут изменить структурное расположение верхнего слоя клеток, расслабляя или возбуждая кожу, что приводит к изменению цвета. Например, мужской хамелеон может быть в расслабленном состоянии, когда он висит на ветке, и в возбужденном состоянии, когда он видит соперничающего мужчину.

«Когда кожа находится в расслабленном состоянии, нанокристаллы в клетках иридофора очень близки друг к другу — следовательно, клетки специфически отражают короткие волны, такие как синий», — сказал старший автор исследования, профессор генетики Мишель Милинкович и эволюция в Женевском университете в Швейцарии.

С другой стороны, когда кожа становится возбужденной, расстояние между соседними нанокристаллами увеличивается, и каждая ячейка иридофора (которая содержит эти нанокристаллы) избирательно отражает более длинные волны, такие как желтый, оранжевый или красный, сообщил Милинкович в интервью Live Science в электронном письме. .Но хамелеоны не всегда голубые. По словам Милинковича, кожа ящериц также содержит желтые пигменты, а синий в сочетании с желтым делает зеленый, «загадочный» цвет, маскирующий их среди деревьев и растений.

«Красный оттенок кожи не сильно меняется при возбуждении, но его яркость увеличивается», — пишут исследователи в исследовании.

Кроме того, исследователи обнаружили более глубокий и толстый слой клеток кожи, которые отражают большое количество солнечного света в ближней инфракрасной области. Исследователи утверждают, что хотя эти клетки не меняют цвет, возможно, они помогают хамелеонам отражать тепло и оставаться холодными.

Исследователи использовали ряд методов для изучения клеток иридофора. Они снимали изменения цвета хамелеонов с помощью видеографии высокого разрешения и создавали численные модели, которые предсказывают, как нанокристаллы должны отражать свет.

«Результаты идеально соответствуют тому, что мы наблюдаем [в реальной жизни]», — сказал Милинкович.

Исследователи также манипулировали клетками, подвергая их воздействию растворов различных концентраций, которые вызывали их набухание или сжатие.Эти модификации изменили расстояния между нанокристаллами и изменили их видимые цвета, как и предсказывали исследователи, сказал Милинкович.

Однако, только взрослые мужчины-хамелеоны меняют цвет, особенно когда они видят конкурирующего мужского хамелеона, которого хотят прогнать, или самку, чтобы привлечь, сказал Милинкович. Самки и молодые хамелеоны имеют тусклый цвет и имеют очень уменьшенный верхний слой клеток иридофора, сказал он.

Результаты могут помочь инженерам и физикам воспроизвести способность хамелеона изменять цвет в новых технологиях, таких как приборы, которые устраняют отражение, сказал Милинкович.

Исследование было опубликовано в сети сегодня (10 марта) в журнале Nature Communications.

Следите за Лорой Геггель в Твиттере @LauraGeggel . Follow Live Science @livescience , Facebook & Google+ . Оригинальная статья на Live Science.

Оптическое общество: исследование науки о свете

Хамелеоны демонстрируют замечательные оптические явления. Кожа хамелеона может быстро и резко изменить цвет, его глаза позволяют ему смотреть почти во всех направлениях, не двигая головой, и у него даже есть элементарный третий глаз!

Существует более 100 видов настоящих хамелеонов. Они встречаются в Африке, на Мадагаскаре, в Испании, на юге Европы, в Аравии, Индии, Шри-Ланке и на Сейшельских островах. Несколько изменяющих цвет ящериц в Соединенных Штатах, обычно называемых анолами, также обычно называют хамелеонами.

У хамелеона удивительно длинный липкий язык, который летит в воздух, чтобы поймать насекомых. Его тело необычной формы, и большинство хамелеонов специально приспособлены для жизни на деревьях. Длинные тонкие ноги ящерицы поднимают его над землей, а пальцы его ног разделены на противоположные группы из двух и трех цифр, которые позволяют ему хвататься за ветви, а не цепляться за них, как за когти. Сильный, завитый хвост также приспособлен для хватания. У многих хамелеонов есть головы с крупными куполами или касками, а у самцов может быть до трех рогов, иногда используемых для боя.

Помимо того, что хамелеоны реагируют на свет, они меняют цвет, когда напуганы, и в ответ на температуру и другие изменения окружающей среды. Гормоны, которые воздействуют на специальные пигментные клетки кожи, вызывают изменение цвета. Однако его цвет не всегда меняется, чтобы соответствовать окружающей обстановке, как принято считать.

Изменение цвета кожи хамелеона связано в основном со специальными пигментосодержащими клетками на его коже, хотя некоторые из цветов обусловлены эффектом, подобным тому, что заставляет дневное небо быть голубым.Вот схематичное изображение кожи хамелеона:

Клетки следующего слоя содержат желтый пигмент.

Под слоем желтых пигментированных клеток находится слой клеток, которые содержат крошечные частицы, намного меньшие, чем любая из длин волн в видимом свете. Когда свет, имеющий смесь цветов, попадает в эти ячейки, более голубая часть света рассеивается в широком диапазоне направлений, в то время как более красная часть света почти не рассеивается и в основном продолжается в своем первоначальном направлении.Это тот же механизм, который создает синий цвет ясного дневного неба и красный цвет восходов и закатов. Синий цвет, производимый этим механизмом, называется «синее Тиндалла».

Наконец, под слоем светорассеивающих клеток находится слой клеток, содержащий гранулы темного пигмента, называемого меланином. Эти клетки необычны, потому что гранулы меланина могут перемещаться внутри клетки. Гормоны хамелеона приводят к тому, что гранулы меланина либо широко распределяются по клетке, либо собираются вместе в один небольшой комок около центра клетки.Клетки, содержащие гранулы меланина, имеют ветви, которые проходят вверх в два слоя выше, как показано на предыдущем рисунке. На рисунке ниже показано, как различные количества дисперсии гранул меланина изменяют оптические свойства одной из этих клеток.

Там, где гранулы меланина в меланин-содержащих клетках полностью сокращаются, вы видите, прежде всего, желтый пигмент в коже хамелеона. Синий свет от рассеивающих ячеек смешивается с красным, оранжевым, желтым и зеленым рассеянным светом, отраженным ячейками под рассеивающим слоем.

Там, где гранулы меланина частично диспергированы, меланинсодержащие клетки обеспечивают основу под рассеивающими клетками, поглощая красный, оранжевый, желтый и зеленый рассеянный свет, так что синий рассеянный свет становится более заметным. Цвет кожи хамелеона затем определяется желтым пигментированным слоем и синим рассеянным светом. Кожа хамелеона выглядит коричневой, зеленой или темно-зеленой, в зависимости от того, насколько широко диспергированы гранулы меланина.

Там, где гранулы меланина полностью диспергированы, кожа животного выглядит довольно темной, иногда даже черной. Тиндалловый синий из рассеивающего слоя затем в основном поглощается.

Клетки с подвижными гранулами меланина — единственные, которые изменяются, когда хамелеон меняет цвет. Гормоны, которые контролируют меланинсодержащие клетки, могут различаться по концентрации в организме хамелеона, создавая сложные цветные узоры. Некоторые рисунки являются хорошим камуфляжем, в то время как другие рисунки имеют эффектные полосы или пятна контрастных цветов, которые сигнализируют о настроении хамелеона. Руководство по хамелеону , написанное Франсуа Лебером и его коллегами, содержит множество замечательных фотографий цветов и узоров хамелеонов.

Хамелеон может направить свои два глаза независимо, так что один глаз смотрит вперед, а другой — назад, или один смотрит вверх, а другой смотрит вниз. Хамелеон может сделать это, потому что его глаза находятся на слегка поднятых турелях с обеих сторон его головы, вместо того, чтобы быть утопленными в защитные гнезда, как у нас. В некоторых других отношениях глаза хамелеона напоминают наши.Поскольку хамелеоны активны в дневное время, их сетчатка включает в себя клетки колбочек. Различные типы колбочек по-разному реагируют на свет разных цветов, поэтому животное с колбочками в сетчатке может видеть цвета. (Многие виды животных, которые активны только ночью, не имеют колбочковых клеток в сетчатке и не могут различать цвета.)

Хамелеон имеет небольшое светочувствительное пятно на макушке. Этот «третий глаз» не образует изображение, поэтому это всего лишь рудиментарный глаз.Он называется «теменным глазом», и на страницах 26–27 в «Руководстве по хамелеону» Франсуа Леберра показано, где он находится на голове хамелеона. У хамелеонов третий глаз покрыт чешуей, но у некоторых других видов ящериц он не покрыт. Третий глаз чувствителен только к фиолетовому и синему свету: он игнорирует свет с большей длиной волны.

Окаменелости некоторых вымерших рыб, амфибий и рептилий также показывают третий глаз. Пинеальная железа в мозге человека и других млекопитающих, вероятно, развивалась из третьего глаза.У млекопитающих шишковидная железа больше не ощущает свет напрямую; он получает информацию о яркости от двух других глаз, а затем вырабатывает гормоны, которые влияют на сонливость и бодрствование, включая смену часовых поясов.