Нет необходимости говорить о том, какое разнообразие живых существ таит в себе мировой океан. Это лишний раз доказывается присутствием прозрачных рыб. Многие организмы демонстрируют необычные черты фенотипа (окраски, формы тела), что наряду с их поведением обусловлено стратегией выживания. При рассмотрении прозрачных рыб можно назвать несколько примеров, которые в зависимости от природной целесообразности демонстрируют проявление полной или частичной прозрачности теми или иными видами.
1. Macropinna microstoma известна исследователям с 1939 года, однако только в 2004 году при проведении глубоководной видеозаписи ученые получили достоверную информацию о данном виде. Особи глубоководной Macropinna microstoma имеют прозрачную переднюю часть головы, тогда как остальное тело непрозрачно.
Характерной особенностью макропинны является наличие бочкообразных глаз, чрезвычайно чувствительных к свету. Из-за этого рыбка получила название "бочкоглаз". Голова и глазные яблоки рыбки покрыты тонким, содержащим жидкость, прозрачным щитком, который фокусирует свет в область глаз. На данном примере показано значение прозрачной головы в усилении светопоглощения в условиях глубоководья.
2. Стеклянный сом (Kryptopterus bicirrhis) обитает в пресноводных мутных реках Юго-Восточной Азии (Индия, Меконг, Борнео, Суматра, п-ов Малакка, Калимантан, Ява, Шри-Ланка). Особи данного вида, достигающие в длину 15 см, имеют высокое значение в коммерческом секторе аквариумистики. Собранные в стайку, эти сомики очень красиво смотрятся в аквариуме. В отличие от других видов, у стеклянного сома спинной плавник имеет только один луч. Большую часть времени он опущен, поэтому владелец только при удачном стечении обстоятельств сможет увидеть пятнистую окраску спинного плавника.
Стеклянный сом (фото: acquariando.info).
3. Индийский стеклянный окунь (Parambassis ranga, фото слева: en.bestpicturesof.com) также принадлежит к пресноводным обитателям южной Азии от Пакистана до Малайзии. В длину рыбки достигают около 8 см, в неволе живут до 3-4 лет. Специально на продажу поступают искусственно окрашенные и более красочные особи Parambassis ranga, называемые диско-рыбка или окрашенный стеклянный окунь. Процедура окраски включает введение красок в тело рыбки, которые оседают в тканях. Следует иметь ввиду, что подобная окраска держится недолго, приукрашенные рыбки восприимчивы к шоку, болезням и могут испытывать аллергию.
В случае Kryptopterus bicirrhis и Parambassis ranga прозрачность выступает камуфляжем, скрывающим рыбок от хищников.
Каким образом рыбки выглядят прозрачными?
Хотя в природе уже имеются хрусталик и роговица, демонстрирующие возможность создания прозрачных тканей, они лишены нервной или кровеносной систем, которые, в частности, включены в мышечную ткань.
Чтобы биологическая ткань стала прозрачной, должно снизиться рассеивание света при прохождении через неё. Другими словами, чем меньше преломляется, отражается и рассеивается свет при прохождении через объект, тем последний выглядит более прозрачным.
Многие первичные модификации, приводящие к прозрачности, имеют ультраструктурные особенности, которые можно увидеть под электронным микроскопом.
Эффекты клеточной ультраструктуры необычной ткани были математически смоделированы. В работе, в которой присутствовали абстрактные объекты постоянного объема и площади с высоким коэффициентом рефракции (белки, липиды и т.д..), матрикс и цитоплазма с низким коэффициентом рефракции, было подсчитано общее рассеивание света как зависимости от объема и площади [1].
До настоящего времени остается загадкой, каким образом рыбки становятся прозрачными, но можно привести несколько возможных механизмов.
Наиболее простое объяснение заключается в небольшой толщине их тела. Сплющенное туловище в большей степени пропускает свет, не искажая и не рассеивая его.
Выдвинутые недавно теоретические модели [1, 2] предсказывают специфическое строение внутриклеточных органелл (митохондрии и рибосомы), которые являются очень мелкими и сильно рассредоточенными в цитоплазме.
Особенности строения внутриклеточных компонентов должны, в первую очередь, приводить к равенству их частных коэффициентов преломления, а во вторую, к равенству с показателем преломления окружающей среды, что, в конечном счете, определяет прозрачность ткани. Последнего чрезвычайно сложно добиться в живых тканях, потому что коэффициент рефракции коррелирует с молекулярной массой компонентов. Он связан с плотностью вещества и варьирует в биологическом организме от 1,35 (цитоплазма) до 1,55 (упакованный белок). В свою очередь, морская вода обладает показателем преломления около 1,34 (в зависимости от температуры и солености). По этой причине, отражение с поверхности прозрачной рыбки в воздухе (2-5%) в 10-2000 раз больше по сравнению с морской водой (0.001%–0.7%) [2].
Тем не менее, у некоторых животных имеются "сглаживающие" инертные агенты, которые располагаются вдоль белков и доводят коэффициент преломления окружающих тканей до аналогичного у белков. Наличие специфических веществ, хотя и повышает коэффициент рефракции в отдельных частях тела, но делает его однородным при рассмотрении целого организма, поэтому последний становится прозрачным [1].
Также стоит отметить, что однородность коэффициента является достаточным, но не обязательным условием для появления прозрачности. Частные показатели преломления могут быть разными настолько сильно, пока их средний коэффициент не превысит величины, равной половине длины волны света. Иными словами, рассеивание и ослабление светового пучка низки, пока пространственное распределение коэффициента не имеет фурье компонентов с длиной волны большей, чем половина длины волны света. Этим объясняется прозрачность хрусталика и роговицы глаза.
Прозрачные рыбки не могут иметь прозрачный глаз или желудочно-кишечный тракт, поэтому данные органы обладают камуфляжем (зеркальная поверхность или пигментация) [1, 2].
——
1. Johnsen Sönke, Widder Edith A. The Physical Basis of Transparency in Biological Tissue: Ultrastructure and the Minimization of Light Scattering SOG // Journal of Theoretical Biology. 199 (2) : 181-198. 1999.
Краткий перевод введения статьи:
1. При постоянном объеме пик рассеивания был максимальным, когда объем распределялся на сферы критического радиуса. Величина критического радиуса зависела от отношения коэффициента преломления материала к окружающим тканям.
2. При взятии постоянной площади поверхности, рассеивание быстро возрастало с увеличением размера сфер вплоть до критического радиуса (примерно равен критическому радиусу для модели с постоянным объемом), после чего рассеивание было относительно постоянным.
В обоих допущениях коэффициент преломления являлся критической величиной, когда рассматривались мелкие частицы, но его важность снижалась при увеличении их размера.
При рассмотрении рефракции под прямым углом результаты схожи с обнаруженными для общего рассеивания. Когда изучалось отражение под большими углами, критический Радиус не зависел от коэффициента, но от него сильно зависела яркость рассеивания для всех размеров частиц.
Влияние формы объектов на преломление связано с геометрическими допущениями (объем, площадь) и размером частиц. При постоянном объеме, мелкие частицы любой формы рассеивают свет одинаково, тогда как крупные сферы рассеивают в меньшей степени, чем аналогичные по объему частицы иной формы. При постоянной площади поверхности мелкие сферы рассеивают больше света, чем аналогичные иной формы, тогда как крупные частицы любой формы отражают свет одинаково.
2. Johnsen Sönke. Hidden in Plain Sight: The Ecology and Physiology
of Organismal Transparency // Biol. Bull. 201 (3) : 301-318. 2001.
Похожие статьи: