Kilka lat temu podczas wyprawy na ryby do Florida Keys biolog Lori Schweikert stanęła twarzą w twarz z niezwykłym aktem szybkiej zmiany. Wyłowiła spiczastą rybę rafową zwaną wieprzem i wrzuciła ją na pokład. Ale później, kiedy poszła włożyć go do lodówki, zauważyła coś dziwnego: jego skóra przybrała ten sam kolor i wzór co pokład łodzi.
Wieprz, pospolita ryba występująca w zachodnim Atlantyku od Karoliny Północnej po Brazylię, znana jest ze zmieniającej kolor skóry. Gatunek może w ciągu kilku milisekund zmienić kolor z białego przez cętkowany do czerwonobrązowego, aby wtopić się w koralowce, piasek lub skały.
Mimo to Schweikert był zaskoczony, ponieważ wieprz nadal maskował się, mimo że już nie żył. Co ją zastanowiło: czy hogfish może wykryć światło za pomocą samej skóry, niezależnie od oczu i mózgu?
„To otworzyło przede mną całe pole do działania” – powiedział Schweikert.
W następnych latach Schweikert rozpoczął badania nad fizjologią „widzenia skóry” w ramach stażu podoktorskiego na Duke University i Florida International University.
W 2018 roku biolog Schweikert i Duke, Sönke Johnsen, opublikowali badanie wykazujące, że wieprzowate są nosicielami genu wrażliwego na światło białka zwanego opsyną, które jest aktywowane w ich skórze i że gen ten różni się od genów opsyny występujących w ich oczach.
Stwierdzono, że inne zwierzęta zmieniające kolor, od ośmiornic po gekony, również wytwarzają w swojej skórze opsyny wyczuwające światło. Ale dokładnie, w jaki sposób używają ich do zmiany koloru, nie jest jasne.
„Kiedy znaleźliśmy go u wieprzowiny, spojrzałem na Sönke i zapytałem: Po co mieć detektor światła w skórze?” powiedział Schweikert, obecnie adiunkt na Uniwersytecie Północnej Karoliny w Wilmington.
Jedna z hipotez głosi, że skóra wyczuwająca światło pomaga zwierzętom poznawać otoczenie. Jednak nowe odkrycia sugerują inną możliwość – „że mogliby wykorzystać to do spojrzenia na siebie” – powiedział Schweikert.
W badaniu, które ukazało się 22 sierpnia w czasopiśmie Nature Communications, Schweikert, Johnsen i współpracownicy połączyli siły, aby bliżej przyjrzeć się skórze wieprzowiny.
Naukowcy pobrali kawałki skóry z różnych części ciała ryby i zrobili im zdjęcia pod mikroskopem.
Z bliska skóra wieprzowiny wygląda jak obraz pointylizmu. Każda kolorowa kropka to wyspecjalizowana komórka zwana chromatoforem zawierająca granulki pigmentu, który może być czerwony, żółty lub czarny.
To ruch granulek pigmentu zmienia kolor skóry. Kiedy granulki rozprzestrzeniają się po komórce, kolor wydaje się ciemniejszy. Kiedy skupiają się w maleńkim miejscu, które jest trudne do zobaczenia, komórka staje się bardziej przezroczysta.
Następnie badacze zastosowali technikę zwaną znakowaniem immunologicznym, aby zlokalizować białka opsyny w skórze. Odkryli, że u wieprzowiny opsyny nie są wytwarzane w komórkach chromatoforowych zmieniających kolor. Zamiast tego opsyny znajdują się w innych komórkach bezpośrednio pod nimi.
Zdjęcia wykonane za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego ujawniły nieznany wcześniej typ komórek, tuż pod chromatoforami, wypełniony białkiem opsyny.
Oznacza to, że światło padające na skórę musi najpierw przejść przez wypełnione pigmentem chromatofory, zanim dotrze do warstwy światłoczułej, powiedział Schweikert.
Naukowcy szacują, że cząsteczki opsyny w skórze wieprzowiny są najbardziej wrażliwe na światło niebieskie. Tak się składa, że jest to długość fali światła, którą najlepiej absorbują granulki pigmentu w chromatoforach ryb.
Odkrycia sugerują, że wrażliwe na światło opsyny ryb zachowują się trochę jak wewnętrzna błona polaroidowa, wychwytując zmiany w świetle, które jest w stanie przefiltrować przez wypełnione pigmentem komórki powyżej, gdy granulki pigmentu zbiegają się lub rozchodzą.
„Zwierzęta potrafią dosłownie zrobić zdjęcie własnej skóry od środka” – powiedział Johnsen. „W pewnym sensie mogą powiedzieć zwierzęciu, jak wygląda jego skóra, ponieważ nie może się ono pochylić, aby spojrzeć”.
„Żeby było jasne, nie twierdzimy, że skóra wieprzowiny działa jak oko” – dodał Schweikert. Oczy nie tylko wykrywają światło – tworzą obrazy. „Nie mamy żadnych dowodów sugerujących, że to właśnie dzieje się w ich skórze” – powiedział Schweikert.
Jest to raczej mechanizm sensorycznego sprzężenia zwrotnego, który pozwala hogfish monitorować własną skórę w miarę zmiany koloru i dostosowywać ją do tego, co widzi oczami.
„Wygląda na to, że obserwują zmianę własnego koloru” – powiedział Schweikert.
Naukowcy twierdzą, że praca ta jest ważna, ponieważ może utorować drogę nowym technikom sprzężenia zwrotnego sensorycznego w urządzeniach takich jak zrobotyzowane kończyny i samochody autonomiczne, które muszą dostosowywać swoje działanie bez polegania wyłącznie na wzroku lub obrazie z kamery.
„Sensoryczne sprzężenie zwrotne to jedna ze sztuczek, które technologia wciąż próbuje rozwiązać” – powiedział Johnsen. „To badanie stanowi dobrą analizę nowego systemu sensorycznego sprzężenia zwrotnego”.
„Gdybyś nie miał lustra i nie mógł zgiąć szyi, skąd wiedziałbyś, czy jesteś odpowiednio ubrany?” – stwierdził Szwejkert. „Dla nas może to nie mieć znaczenia” – dodała. Jednak w przypadku stworzeń, które wykorzystują swoje zdolności zmiany koloru do ukrywania się przed drapieżnikami, ostrzegania rywali lub zabiegania o względy partnerów, „może to oznaczać życie lub śmierć”.
Współautorami badania są naukowcy z Florida Institute of Technology, Florida International University i Air Force Research Laboratory. Wsparcie finansowe pochodziło od Duke University, Florida International University, Marine Biological Laboratory i National Science Foundation (1556059).