Рис. 1. Примеры флуоресценции в красной части спектра. a–d — мадрепоровые кораллы (а — Goniopora, b — Mycedius, с — Fungia, d — Porites); е — общий вид поверхности кораллового рифа; f — неопределенная водоросль; g — красная водоросль Amphiroa; h — полихета Seballastarte indica; i — полихета S. indica в типичном местообитании под выступом кораллового рифа. На фотографиях a–d и f–h слева показан объект при естественном освещении, а справа — снятый на камеру с красным фильтром (пропускающим только волны красного цвета). Фото e и i сделаны с красными фильтрами. Все снимки (за исключением с, снятого в лаборатории) сделаны в Красном море (Дахаб, Египет) на глубине 14–17 м. Изображение из статьи N. Michiels et al., 2008. Red fluorescence in reef fish: a novel signaling mechanism?

Некоторые рыбки, обитающие на глубине более 10 м, имеют видоспецифичные флуоресцентные маркеры, светящиеся красным цветом. Свет красного спектра туда почти не проникает, поэтому такие пятна хорошо заметны. Так, у самцов и самок черноголового троепёра есть флуоресцентное кольцо вокруг глаза, причем интенсивность его свечения они могут произвольно менять — так рыбки могут быть то более, то менее заметны. Но не было известно, могут ли сами троепёры воспринимать этот цвет, — ведь обычно обитающие на глубине животные плохо различают редкий здесь красный цвет. В ходе экспериментов выяснилось, что троепёры, в условиях естественного для них освещения, воспринимают красную флуоресценцию, и даже лучше некоторых других цветов. Поэтому флуоресцентные маркеры могут использоваться троепёрами для опознавания особей своего вида.

Для восприятия объектов и их контуров важен контраст, который позволяет выделить объект на окружающем его фоне. Такой контраст может быть ахроматическим (по принципу темнее–светлее) либо цветовым (действующими на основе различий в оттенках). Животные, имеющие цветное зрение, пользуются обоими механизмами. Но для того, чтобы цветное зрение «раскрывало» все свои возможности, подходят не любые условия. У большинства дневных наземных животных, а также обитающих в поверхностных слоях рыб, цветное зрение хорошо развито. Действительно, именно в этих условиях спектр рассеянного света покрывает весь видимый диапазон, что позволяет в полной мере использовать различия в тонах и их насыщенности для различения контуров.

Но с увеличением глубины спектр рассеянного света в воде сужается. Это происходит из-за того, что поглощение света обратно пропорционально длине его волны — то есть длинноволновое излучение поглощается быстрее. Поэтому на глубине более 10 м почти нет красного цвета (длина волны около 600 нм или более) и доминируют сине-зеленые цвета (длина волны 450–530 нм). А у многих обитающих на таких глубинах рыб световая чувствительность сужена: они неплохо различают только часть цветов.

Тем не менее в подводном мире можно найти и красные оттенки. Они возникают за счет флуоресценции: в этом случае поглощается свет с более короткой длиной волны (например, синий или зеленый), а «взамен» испускается свет с большей длиной волны (красный). Флуоресценция известна у красных водорослей и ряда беспозвоночных (рис. 1).

Но недавно выяснилось, что флуоресцировать могут и некоторые рыбки, также испуская красный свет (N. Michiels et al., 2008. Red fluorescence in reef fish: a novel signaling mechanism?). В этом случае флуоресценция обеспечивается кристаллами гуанина. Флуоресцентные пятна расположены у рыб чаще всего на голове (нередко — вокруг глаз), а их конфигурация и форма различается у близких видов (рис. 2). Поэтому возможно, что такие пятна помогают рыбкам опознавать особей своего вида в условиях недостаточного освещения.

Рис. 2. Флуоресцентные пятна у рыбок из семейства бычковых (Gobiidae). Можно видеть, что форма пятен различается, в том числе и у видов одного рода. a — Bryaninops natans; b — B. yongei; c — Ctenogobiops tangaroai; d — Gnatholepis anjerensis; e — Istigobius decorates; f — Fusigobius duospilus; g — F. longispinus; h — Pleurosicya micheli; i — P. prognatha; j — Eviota guttata; k — E. prasina; l — E. zebrine; m — E. sebreei; n — Trimma avidori. Левая фотография каждой рыбы сделана при дневном свете, а правая — при помощи красных фильтров при освещении, имитирующем в лаборатории естественные условия обитания рыб (все фотографии за исключением a, b и h), либо непосредственно в природе (фото a, b и h). Изображение из статьи N. Michiels et al., 2008. Red fluorescence in reef fish: a novel signaling mechanism?

Способности к флуоресценции были найдены у более чем двух десятков рыб. А для некоторых из них показано, что их фоторецепторы в принципе могут воспринимать красный свет. Нужно отметить, что это свойство в целом нетипично для рыб, регулярно встречающихся глубже 10 м (которые в норме красный «не видят»). Тем не менее это еще не значит, что рыбки действительно воспринимают красный цвет, и это восприятие играет роль в их поведении. Между тем, такие данные важны в рамках изучения явления флуоресценции у рыб. Этим занялись специалисты из Германии, Австрии и Австралии, решившие проверить экспериментально, видят ли рыбы красные метки своих сородичей.

Ученые исследовали черноголового троепёра Tripterygion delaisi (семейство Троепёровые). Эта рыбка обитает в северо-восточной части Атлантического океана и в Средиземном море. Встречается на глубине от 3 до 40 м, но чаще — в интервале 6–25 м. В брачный период самцы имеют яркую желтую окраску туловища и черную голову. А в другое время они не отличаются от покровительственно окрашенных самок (рис. 3).

Рис. 3. Черноголовые троепёры Tripterygion delaisi. На переднем плане — самец в брачном наряде, на заднем — самка. Фото с сайта naturamediterraneo.com

Для экспериментов использовали рыб в «самочьем» наряде (в этом случае определить их пол по внешним признакам нельзя). И самцы и самки имеют видоспецифичный маркер — красное флуоресцентное кольцо вокруг глаза (рис. 4).

Рис. 4. Флуоресцентное окологлазничное кольцо, сфотографированное в естественном местообитании на глубине 18 м. Для сравнения на той же глубине и на поверхности (в тени) снят не флуоресцирующий диск красного цвета. Фотографии слева сделаны с установленным вручную балансом белого, а справа — в автоматическом режиме. При съемке в автоматическом режиме на основе доминирующих цветов устанавливается сине-зеленая гамма и флуоресцентные кольца не видны; красный диск отражает 12–15% лучей синего спектра и потому выглядит голубоватым. А при специально подобранном балансе белого окологлазничные кольца хорошо заметны и не флуоресцирующий красный диск при таком режиме съемке выглядит серым. Рисунок из обсуждаемой статьи в Ethology

Интересно, что рыбки могут произвольно менять интенсивность флуоресценции, делая окологлазничное кольцо то ярче, то тусклее. Это позволяет им быть менее или более заметными в зависимости от обстоятельств. Этот механизм был выявлен в прошлом году. «Свечение» окологлазничного кольца обеспечивается иридофорами — клетками, содержащими флуоресцирующие кристаллы гуанина. Группу из четырех прилегающих друг к другу иридофоров «подстилает» один меланофор. Это клетка, имеющая меланосомы — меланинсодержащие светопоглощающие органеллы. Меланофор охватывает группу из четырех иридофоров своего рода «щупальцами» — выростами клетки. Количество меланосом в этих выростах может меняться: таким образом, иридофоры могут быть в той или иной степени накрыты не пропускающими свет пигментами (рис. 5).

Рис. 5. Трехмерная модель, показывающая, как группу из четырех иридофоров (показаны только два из них — коричневым цветом) «подстилает» меланофор с «щупальцеобразными» выростами (черные). Рисунок из статьи M. F. Wulcherer and N. K. Michiels, 2014. Regulation of red fluorescent light emission in a cryptic marine fish

Рыбок для экспериментов отлавливали у побережья Италии (всего было отловлено 12 особей). Задача состояла в том, чтобы натренировать троепёров воспринимать стимулы определенного цвета, а затем протестировать эту их способность. Поэтому экспериментальная работа с каждой рыбкой включала 7 фаз. Первые пять фаз были тренировочными, а две заключительные — тестовыми.

В эксперименте использовали две пипетки, кончики которых были окрашены. У одной пипетки — красной флуоресцентной краской, а у другой — в серый цвет. В пипетку был помещен питательный раствор с зоопланктоном. Рыбки не могли добыть раствор самостоятельно — необходимо было участие экспериментатора. В нужной ситуации он выдавливал из пипетки 10 мл раствора (рис. 6).

Рис. 6. Дизайн экспериментов (слева — вид сверху, справа — вид сбоку). Пипетки опускали к тренировочной платформе (а) в аквариуме. Пипетки с разными наконечниками были разделены пластиной (b). Рисунок из обсуждаемой статьи в Ethology

Половину рыбок тренировали на серый цвет, а других — на красный. Тренировка происходила следующим образом. В первых трех фазах им предъявляли только одну пипетку, в несколько этапов вырабатывая правильную ассоциацию. Сначала рыбок приучали просто получать корм из пипетки (первая фаза, длилась четыре дня). Затем пипетку постепенно перемещали к тренировочной платформе, сначала к краю, а затем и ближе к стенке аквариума (вторая фаза, 7 дней). Наконец, в третью фазу (продолжительностью 8 дней) экспериментаторы использовали окрашенные кончики, приучая троепёров к тому, что окраска тоже важна. На четвертой и пятой стадиях тренировки использовались уже две пипетки, кончики которых были разного цвета. Теперь рыбки получали порцию питательного раствора, если кусали кончик «правильной» пипетки. Но в четвертой фазе тренировок (23 дня) они могли использовать в качестве подсказки обонятельные сигналы. Дело в том, что питательный раствор был только в «правильной» пипетке, а в другой была морская вода. А в пятой фазе (10 дней) раствор был уже в обеих пипетках, но получить его рыбки могли, только делая «правильный» выбор. «Правильным» выбором считали ситуацию, когда рыбка в течение минуты после предъявления пипеток подплывала к нужной из них, пыталась ее укусить и так далее.

В шестой фазе (25 дней) рыбкам предъявляли в произвольных комбинациях «серую» и «красную» пипетки разной яркости. Всего по три варианта каждого цвета, то есть всего было девять возможных комбинаций. Это было сделано, чтобы отбросить возможность того, что троепёры ориентируются не на цвет как таковой, а на различие в яркости (например, обучаются кусать более темную пипетку). А в седьмую фазу (22 дня) постепенно меняли освещение — с дневного на «синее», имитирующее свет в естественных местообитаниях рыб на глубине. «Синий» свет включали на некоторое время, постепенно удлиняя продолжительность предъявления. Первые дни этого теста — пока рыбы привыкали — не учитывали в анализе (хотя эксперименты проводились).

Оказалось, что при дневном освещении троепёры делали правильный выбор в большинстве случаев. При этом одинаково успешными были обе группы — те, которых учили выбирать серый цвет, и те, которых тренировали на красный, независимо от различий между двумя пипетками в уровне яркости. То есть рыбы действительно ориентируются на цвет (цветовой контраст), а не на яркость (ахроматический контраст).

При смене освещения с дневного на «синее» результаты оказались немного иные. В этом случае те рыбки, которых тренировали на «красные» пипетки, оказались более успешны. Более того, их успех зависел от яркости «красной» пипетки: чем ярче наконечник, тем больше процент правильного выбора. Это значит, что при естественном для троепёров освещении флуоресцирующие наконечники были более заметны для рыб и позволили им меньше ошибаться.

Таким образом, впервые показано, что рыбки, имеющие флуоресцирующие красным участки тела, могут воспринимать этот цвет. Причем при естественном для них освещении они воспринимают его лучше, чем, например, серый цвет. Поэтому соответствующие маркеры могут играть важную роль в их поведении — например, помогать в опознавании особей собственного вида.

Источник: Nadine Kalb, Ralf F. Schneider, Dennis Sprenger and Nico K. Michiels. The red-fluorescing marine fish Tripterygion delaisi can perceive its own red fluorescent colour // Ethology. 2015. V. 121. P. 566–576.

Алексей Опаев