Утконос оказался еще страннее: почему на микроуровне его шерсть устроена как перья птиц

Утконос всегда занимал особое место в зоологии. С момента его описания в конце восемнадцатого века этот вид заставлял ученых пересматривать устоявшиеся правила классификации животных. Утконос покрыт шерстью и выкармливает детенышей молоком, но при этом откладывает яйца. Он имеет ядовитые шпоры на задних лапах и ориентируется под водой с помощью улавливания слабых электрических полей. Долгое время казалось, что наука уже изучила все физиологические странности этого вида. Но недавнее исследование, проведенное биологами из Гентского университета, показало, что утконос обладает уникальной анатомической аномалией на микроскопическом уровне.

Изучая структуру волос различных млекопитающих с помощью мощных электронных микроскопов, исследователи обнаружили внутри шерсти утконоса элементы, которых там не должно быть в принципе. Пигмент, придающий цвет волосу этого животного, имеет пустотную структуру. До этого открытия биологи были уверены, что подобные полые формы встречаются исключительно у птиц. Это открытие заставляет научное сообщество переосмыслить механизмы формирования цвета у позвоночных.

Как формируется цвет в животном мире

Начнем с базовых механизмов пигментации. За цвет кожи, волос, чешуи и перьев у позвоночных животных отвечает химическое вещество под названием меланин. Однако меланин не растворен в клетках равномерно. Он синтезируется и хранится внутри специализированных микроскопических структур, которые называются меланосомами. Форма этих структур и тип пигмента внутри них напрямую определяют конечный цвет, который мы видим.

В классе млекопитающих до сих пор действовало правило: форма меланосомы всегда соответствует ее химическому содержимому, и она всегда является полностью заполненной, монолитной. Существует два основных типа меланина:

1. Эумеланин. Он дает черные, серые и темно-коричневые цвета. Структуры, содержащие эумеланин, всегда имеют вытянутую форму, напоминающую цилиндр или сигару.
2. Феомеланин. Он отвечает за рыжие, красные и светлые желто-оранжевые оттенки. Структуры с феомеланином всегда имеют правильную округлую, сферическую форму.

Ученые проверили базу данных меланосом более чем ста двадцати видов различных млекопитающих, и это правило работало без исключений. Меланосомы зверей могут варьироваться от круглых до вытянутых, но они всегда плотно заполнены пигментом.

У птиц система устроена иначе и намного сложнее. В процессе эволюции пернатые научились использовать меланосомы не только как хранилище пигмента, но и как инструмент для изменения направления света. В перьях некоторых видов птиц меланосомы имеют плоскую форму или содержат внутри себя пустоту. Наличие воздуха внутри пигментной оболочки создает сильный перепад в преломлении света. Когда свет проходит через оболочку меланосомы, попадает в воздушную пустоту и отражается обратно, возникает так называемая структурная окраска. Именно этот физический процесс дает перьям птиц яркий, переливающийся металлический блеск. При этом у птиц полые меланосомы всегда имеют вытянутую форму.

Три парадокса шерсти утконоса

Исследователи взяли образцы защитных волос утконоса и сделали их ультратонкие срезы для изучения под просвечивающим и сканирующим электронными микроскопами. В результате, меланосомы утконоса нарушили сразу три фундаментальных биологических правила.

Во-первых, они оказались сферическими и при этом полыми внутри. Пустота в центре структуры достигала нескольких сотен нанометров. Это первый зафиксированный случай обнаружения полых меланосом у млекопитающих и первый в мире случай обнаружения сферических полых меланосом среди всех позвоночных вообще.

Во-вторых, было зафиксировано противоречие между формой и химией. Как упоминалось ранее, у млекопитающих сферическая форма жестко связана с рыжим пигментом — феомеланином. Утконос же имеет темно-коричневый окрас. Чтобы проверить состав пигмента, ученые применили метод инфракрасной спектроскопии. Анализ подтвердил, что в полых круглых структурах преобладает эумеланин — пигмент, который должен находиться в вытянутых оболочках. Форма структуры впервые не совпала с ее содержимым.

В-третьих, возник вопрос об оптической функции. У птиц пустоты внутри пигмента нужны для создания блеска. Однако шерсть утконоса не переливается, она выглядит тусклой и матовой. Исследователи выяснили причину: чтобы свет преломлялся и создавал радужный эффект, полые структуры должны быть выстроены ровными слоями, формируя строгую решетку. В волосе утконоса эти полые сферы распределены абсолютно хаотично. Свет поглощается пигментом, но не дает переливающегося эффекта.

Причины возникновения аномалии

Если полая структура не используется для создания переливающихся оптических эффектов, встает вопрос о том, зачем она понадобилась животному в процессе эволюции. На данный момент ученые рассматривают несколько научных гипотез.

Первая гипотеза касается термической изоляции. Утконосы ведут полуводный образ жизни и способны проводить много времени в холодной воде, добывая пищу. Воздух обладает низкой теплопроводностью. Микроскопические пустоты внутри множества меланосом, распределенных по всему волосу, могут функционировать как дополнительный теплоизолирующий барьер на наноуровне, помогая животному сохранять температуру тела. Эту версию косвенно подтверждает изучение ближайших родственников утконоса — ехидн. Ехидны тоже относятся к отряду однопроходных, но ведут исключительно наземный образ жизни. Анализ игл и шерсти ехидн показал наличие только обычных, вытянутых и заполненных меланосом. Возможно, предки ехидн утратили полые структуры при переходе к наземной жизни за ненадобностью.

Вторая гипотеза связана с общим эволюционным происхождением млекопитающих и птиц. Поскольку однопроходные являются самой ранней и базовой ветвью млекопитающих, полая структура меланосом может быть очень древней чертой. Возможно, она присутствовала у общего предка всех млекопитающих и птиц миллионы лет назад. Со временем плацентарные и сумчатые животные полностью утратили этот признак, птицы развили его для создания яркого оперения, а утконос сохранил его в изначальном, хаотичном виде.

Третья гипотеза представляет наибольший интерес для современной медицины. В природе полые сферические меланосомы не встречаются у здоровых животных, за исключением утконоса. Однако похожие структуры ранее наблюдались учеными в двух специфических случаях патологий. Первый случай — это генетическая мутация у некоторых видов змей, которая приводит к частичной потере цвета. Второй случай — это развитие клеток меланомы, злокачественной опухоли кожи у человека. В раковых клетках процесс формирования пигментных структур дает сбой, из-за чего они приобретают форму полых колец.

Именно этот факт придает открытию особую ценность. Утконос обладает механизмом, который естественным образом производит структуры, появляющиеся у других млекопитающих только при серьезных генетических нарушениях или онкологических заболеваниях. Дальнейшее изучение генов утконоса, отвечающих за формирование его шерсти, может помочь ученым детально понять механизмы развития клеточных аномалий. Понимание того, как утконос управляет ростом этих полых структур в здоровом организме, потенциально открывает новые пути к исследованию процессов образования раковых клеток и пигментных патологий.

Источник: Biology Letters