Познакомьтесь с морскими обитателями, обладающими реальной способностью оставаться невидимыми.
Соблазн невидимости пленял людей на протяжении тысячелетий: египетский бог Амон-Ра проявлялся в виде прозрачного ветра, который можно было почувствовать, но не увидеть; волшебное кольцо греческого философа Платона даровало невидимость пастуху, который затем узурпировал трон, убив короля и женившись на его жене; книга Дж.Р.Р. Толкина Одно кольцо наделяло своего владельца способностью исчезать и властвовать над другими.
Даже сегодня невидимость занимает высокое место среди желанных “сверхспособностей”. А почему бы и нет? Это может дать возможность прятаться от своих врагов, одерживать верх над конкурентами или выполнять задачи, которые в противном случае были бы невозможны.
Конечно, несмотря на мифологизацию и стремление к этому, а также поиск технологических решений, выходящих за рамки волшебного кольца или зелья, люди не овладели невидимостью, чтобы стать прозрачными. Но прозрачность не осталась незамеченной естественным отбором, эволюционировав независимо у неродственных животных, включая осьминогов, членистоногих и рыб. Несмотря на различия животных, они следовали схожим “рецептам” прозрачности, чтобы пожинать плоды невидимости, как хищников, так и добычи, особенно в водной среде.
Животные — сложные, материальные существа, и даже самые крошечные из них могут ударяться своими фигуральными пальцами о другие объекты — так как же они могут оставаться незамеченными и сливаться с окружающей средой?
Поверхностный камуфляж использует мимику, маскировку и скрывающую или разрушающую окраску, чтобы не быть замеченным. Это распространенная тактика, которая развилась у многих животных, от насекомых до осьминогов и крупных млекопитающих. По сути, камуфляж обманывает зрителя, заставляя его неправильно воспринимать спрятанное животное.
Не хочу бросать тень на камуфляж — он может быть высокоэффективной стратегией выживания и, в отличие от прозрачности, может использоваться крупными животными, — но он лишь царапает поверхность обмана.
Прозрачность скрывает животное от посторонних глаз, но это также и более глубокая уловка. Все тело — как поверхностные, так и внутренние ткани — должно работать сообща, чтобы стать прозрачным. Идеальная прозрачность не обязательна; при взгляде издалека под водой даже полупрозрачный осьминог становится невидимым, и это может существенно повлиять на выживание.
Животное должно выполнить два основных действия, чтобы стать прозрачным: первое и самое простое — оно должно свести к минимуму поглощаемый им свет. Во-вторых, необходимо уменьшить количество рассеиваемого света.
Стоимость цвета
Пигменты широко распространены в биологии. На первый взгляд они окрашивают наши глаза, кожу, перья и волосы. Внутренние дыхательные пигменты, переносящие кислород, такие как гемоглобин, окрашивают вашу кровь в красный цвет. (Или, если вы беспозвоночное, гемоцианин окрашивает вашу гемолимфу в синий цвет. Существует целая палитра дыхательных пигментов беспозвоночных, варьирующихся по цвету от фиолетового до зеленого и желтого.) Другими словами, они увеличивают видимость животных.
Уменьшение пигментации — это низко висящий плод на пути к тому, чтобы стать прозрачным. Пигменты имеют “производственные издержки” для животного, требующие биохимического оборудования для синтеза. Однако нельзя просто так, волей-неволей, отказаться от всех пигментов без последствий. Человек, лишенный гемоглобина, не может жить. Существуют ограничения на удаление пигментов, многие из которых могут быть выполнены, если организм маленький и простой.
Медузы известны своей прозрачностью: это простые животные с тонким телом, чьи тела на 95 процентов состоят из воды, и необходимый им кислород поглощается непосредственно из окружающей воды, устраняя необходимость в светопоглощающих пигментах для дыхания.
Личинки угря длиной в полдюйма, иногда называемые “стеклянными угрями”, также лишены этих пигментов. Личинки не так “полны воды”, как медузы, но их тела почти похожи на листья, что позволяет кислороду проникать на короткое расстояние непосредственно в их тела без гемоглобина или жабр. Однако существует практический предел тому, как далеко кислород может проникать через ткани, и по мере роста личинок их метаболические потребности превышают этот простой механизм. Они начинают вырабатывать гемоглобин, снижая свою прозрачность.
Простота — это высшая степень изощренности.
Самая сложная задача по обеспечению прозрачности заключается в уменьшении рассеяния света. Рассмотрим горсть поваренной соли: одиночный кристалл соли прозрачен, но в кучке смесь становится непрозрачной. Когда свет проходит из воздуха в кристалл, а затем, когда он выходит из кристалла в воздух, свет отклоняется от своего первоначального пути. Состоящая из множества беспорядочно ориентированных кристаллов, горстка соли рассеивает свет и кажется белой даже без пигмента.
“Прозрачные животные либо очень просты, — говорит Сенке Йонсен, специалист по визуальной экологии из Университета Дьюка, — либо им приходится работать над тем, чтобы свести к минимуму эти различия” в преломлении. Личинки угря содержат большое количество прозрачных соединений, называемых гликозаминогликанами, которые выполняют двойную функцию — накапливают энергию и поддерживают структуру. Их органы также крошечные и незаметные, им не хватает сложности, которая будет развиваться с возрастом.1 Животные, включая личинок других угрей, молодь рыб, водных ракообразных и кальмаров, придерживаются аналогичных стратегий.
Утрачена прозрачность?
Даже у самых прозрачных животных могут быть половые железы, глаза и, возможно, желудочно-кишечный тракт, переполненный их последним приемом пищи. (“Крест” на изображенной выше медузе является частью пищеварительного тракта.) Все эти органы препятствуют сокрытию, но есть предел тому, от чего можно избавиться.
Некоторые маленькие осьминоги дополнительно маскируют свои внутренности и глаза, изменяя форму и ориентацию этих органов. Стеклянные осьминоги, Vitreledonella richardi, держат свои трубчатые глаза и игольчатый желудок ориентированными вертикально, чтобы казаться менее заметными хищникам внизу.
Прозрачность преобладает у многих молодых морских организмов, обеспечивая столь необходимую защиту от хищников. В конечном счете развитие более заметных, сложных органов и потребность в дыхательных пигментах приводят к прекращению прозрачности — еще одна причина для сожалений по поводу старения.
Грани невидимости
Благодаря удалению пигментов и упрощению внутренней структуры кожа головы на фотографии ниже стала прозрачной; вероятно, вы могли бы читать сквозь нее. Тем не менее, он остается видимым, особенно по краям. Почему?
Точно так же, как важны различия в показателях преломления — степени, в которой свет изгибается при входе в среду или выходе из нее — структур внутри животного, важны и различия между животным и его окружением. Верните сальпу в океан, в ее естественную среду обитания, и она исчезнет. Сальпы, гребенчатые желе и медузы — все это водные животные, которые в основном состоят из воды — тело медузы на 95 процентов состоит из воды по сравнению со скудными 60 процентами человеческого тела, — и при помещении в воду очертания сальпы фактически исчезают. Его показатель преломления почти такой же, как и у окружающей среды. Однако, если держать его в воздухе со сравнительно низким показателем преломления, сальп становится видимым.
Но я прозрачен, как стекло!
Может ли животное быть большим и прозрачным?
Существуют физические ограничения на размер и прозрачность. Ни одно вещество не является абсолютно прозрачным; часть света, проходящего через него, всегда теряется, даже если это незаметно для случайного наблюдателя. (Посмотрите на фотографию ниже: слева слово “прозрачный” видно через полдюйма стекла, а справа — через 32 дюйма стекла.) Именно по этой причине дно глубокого океана невозможно увидеть с поверхности, какой бы прозрачной ни была вода.
Животные ничем не отличаются. Медуза метровой толщины теряет свою прозрачность из-за этого простого свойства. Гребенчатые желе длиной в несколько футов действительно существуют, но толщиной самое большее в полдюйма. И хотя сальпы могут образовывать длинные цепочки, если бы вы смогли убедить их выстроиться в линию и позволить вам смотреть сквозь них, как пирату в подзорную трубу, вид был бы туманным.
Хватаясь за тайны
Сенке Йонсен называет своей “любимой загадкой спаривания” стеклянных осьминогов, которые должны совокупляться, чтобы размножаться, но при этом являются редкими, почти прозрачными животными в очень большом океане.
Джонсен спрашивает: “Как, черт возьми, они находят друг друга?” Никто не знает, но другой вид полупрозрачных осьминогов, Japatella diaphena, нашел решение этой дилеммы: у самок по мере приближения к половой зрелости развивается люминесцентный орган, который, возможно, служит репродуктивным сигналом для самцов. Нет никаких доказательств того, что стеклянный осьминог использует подобную стратегию, однако, в отличие от самого осьминога, наши знания о нем туманны.
Стратегия борьбы с невидимостью
Зрение — это экстраординарная способность, которая у некоторых животных распространяется на области, которые мы можем только вообразить. Многие беспозвоночные, включая насекомых, ракообразных и кальмаров, могут определять поляризацию света, что мы можем увидеть, надев поляризованные солнцезащитные очки.
Кроме того, многие ткани, особенно мышцы, становятся поразительно заметными при просмотре в поляризованном свете. Кроме того, свет частично поляризован под водой из-за отражения на поверхности и рассеяния в воде.
Эти три фактора — преобладание поляризационного зрения, поляризация света в воде и уменьшение невидимости в поляризованном свете — вызывают вопрос: “Могут ли хищники использовать поляризационное зрение для обнаружения прозрачной добычи?”
Действительно, некоторые существа могут это делать. Прозрачных призрачных мошек, например, поедают рыбы, способные улавливать поляризованный свет; кальмары, которые сами частично прозрачны в молодом возрасте, могут использовать свою поляризационную чувствительность для усиления поимки более мелкой прозрачной добычи.
Отличный пример гонки вооружений в природе, да? Не так быстро, предостерегает Джонсен. “Не позволяйте красивым картинкам в лаборатории одурачить вас, заставив думать, что именно это происходит в реальном мире”, — говорит он.
Эксперименты по поляризации кальмаров, например, дали противоречивые результаты; жюри все еще не определилось с поляризационным зрением как стратегией борьбы с невидимостью.2
Упускают ли из виду наземные животные?
Короткий ответ — “в основном”. Личинки некоторых водных насекомых, таких как мушки-добсоны и мошки-фантомы, обладают временной прозрачностью, которая теряется по мере взросления и выхода из воды. Значительная разница в преломлении между воздухом и тканями животных практически непреодолима, за редким исключением.
Среди исключений — крылья многих летающих насекомых, которые прозрачны в силу того, что имеют слабую циркуляцию или вообще не имеют ее, имеют толщину всего в несколько ячеек и иногда обладают антибликовыми структурами.3 Служит ли это функции «ты меня не видишь» в сочетании с разрушительной окраской для избегания хищников или какой-то другой цели, неясно.
Даже люди принимают участие в нем ограниченным, но существенным образом: прозрачность наших роговиц, хрусталиков и жидкостей, наполняющих наши глаза, имеет решающее значение для нашего зрения. Неудивительно, что характеристики, способствующие прозрачности водных существ, также заметно проявляются в наших глазах, студенистые части которых на 98 процентов состоят из воды — показатель, которого позавидовала бы даже медуза. Между нашими роговицами и сетчаткой нет структур, нарушающих светопропускание, и нет разницы показателей преломления в тканях глаза.
Красота повсюду
Ироничный поворот конвергентной эволюции заключается в том, что мы используем прозрачные ткани наших глаз, чтобы искать прозрачных животных. Если вам повезет, вы можете увидеть крошечную мерцающую личинку добсонфлай в ручье или волнистое гребенчатое желе в океане. Но если вы ничего не увидите, посмотрите еще раз. Возможно, кто-то прячется у всех на виду.
Автор изображения Эдвин Баркдолл
References
1. Miller, M.J. Ecology of Anguilliform leptocephali: Remarkable transparent fish larvae of the ocean surface layer. Aqua-BioScience Monographs 2, 1-94 (2009).
2. For conflicting results in squid, see: Gavioli, I.L., de Ortiz, D.O., Bersano, J.G.F., & Vidal, E.A.G. Connecting polarized light and water turbidity with feeding rates in Octopus americanus paralarvae. Journal of World Aquaculture Society 53, 241-257 (2021). And: Shashar, N., Hanlon, R.T., & Petz, A.deM. Polarization vision helps detect transparent prey. Nature 393, 222-223 (1998).
3. Pomerantz, A.F., et al. Developmental, cellular, and biochemical basis of transparency in clearwing butterflies. Journal of Experimental Biology 224, jeb237917 (2021).
Автор: Edwin Barkdoll Posted on November 16, 2023. Edwin Barkdoll is a Maine Master Naturalist and nature photographer who enjoys prowling wherever an untrodden trail beckons. He writes the Nature Unveiled Blog.