Η σκληρή δουλειά των χταποδιών στην αλλαγή χρωμάτων

Δεν είναι εύκολο να είσαι πράσινος –ή μπλε, ή μωβ ή πορτοκαλί– τουλάχιστον όχι αν είσαι χταπόδι. Τα κεφαλόποδα είναι γνωστά για την απίστευτη ικανότητά τους να καμουφλάρουν και επικοινωνώ μέσω του δέρματός τους που αλλάζει γρήγορα το χρώμα. Αλλά η διαδικασία αλλαγής αποχρώσεων ή διατήρησης ενός χρώματος απαιτεί σημαντική προσπάθεια, σύμφωνα με μια μελέτη δημοσιεύθηκε στις 18 Νοεμβρίου στο περιοδικό Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών. Σύμφωνα με τη νέα έρευνα, τα χταπόδια ξοδεύουν την ίδια ποσότητα ενέργειας ενεργοποιώντας το σύστημα αλλαγής χρώματός τους, καθώς διατηρούν όλες τις άλλες πτυχές του μεταβολικού τους ρυθμού ηρεμίας, συμπεριλαμβανομένης της πέψης, της αναπνοής, της λειτουργίας οργάνων και της κυκλοφορίας.

Τα ευρήματα είναι τα πρώτα που ποσοτικοποιούν πόση δουλειά χρειάζεται για την ενεργοποίηση των χρωματοφόρων, των εξειδικευμένων οργάνων που αλλάζουν χρώμα που συνδέονται με τους μυς και το νευρικό σύστημα των κεφαλόποδων, τα οποία διακοσμούν το δέρμα των θαλάσσιων ασπόνδυλων σαν pixel. Όταν βρίσκονται σε ηρεμία, τα χρωματοφόρα είναι σφαιρικά, εμφανίζονται ως μικρά σημεία χρωστικής ουσίας – αλλά όταν διαστέλλονται, γίνονται πεπλατυσμένοι έγχρωμοι δίσκοι που συγχωνεύονται οπτικά μεταξύ τους σε αξιοσημείωτες οθόνες.

Βίντεο: Επέκταση χρωματοφόρου δέρματος χταποδιού κάτω από λευκό φως. Δημιουργία: Sophie Sonner.

Διαφορετικοί τύποι κεφαλόποδων έχουν διαφορετικές συγκεντρώσεις χρωματοφόρων. Χταπόδια ρηχού νερού όπως τα είδη που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη (Octopus rubescens) έχουν περίπου 230 χρωματοφόρα ανά τετραγωνικό χιλιοστό δέρματος – προσδίδοντάς τους αποχρώσεις υψηλής ανάλυσης.

«Τα χταπόδια έχουν το δέρμα HD ή 4K», λέει Μάθιου Μπερκένας θαλάσσιος βιολόγος που μελετά τα κεφαλόποδα στο Πανεπιστήμιο Saint Francis στην Πενσυλβάνια. Ο Birk δεν συμμετείχε στη νέα έρευνα, αλλά σημειώνει, “Είναι μια πραγματικά τακτοποιημένη μελέτη”. Οι συγγραφείς «κατάφεραν να απομονώσουν πόσο από την ενέργεια που καταναλώνουν αυτά τα χταπόδια κάθε μέρα πηγαίνει στη χρήση του συστήματος καμουφλάζ τους… Δεν γνωρίζω κανέναν άλλον που να έχει αυτό το μέρος καθαρά διαχωρισμένο. [metabolism]», εξηγεί ο Birk. “Είμαι πολύ έκπληκτος με το πόσο ακριβό είναι να λειτουργήσει.”

Όταν είναι πλήρως σε ηρεμία, τα χταπόδια είναι πολύ χλωμά – σχεδόν λευκά με μικροσκοπικά στίγματα, νότες Σόφι Σόνερεπικεφαλής συγγραφέας της μελέτης που ολοκλήρωσε την εργασία ως μέρος της μεταπτυχιακής της διατριβής στο Πανεπιστήμιο Walla Walla στην Ουάσιγκτον. Πράγμα που σημαίνει ότι, σχεδόν κάθε φορά που έχετε δει μια εικόνα ή ένα βίντεο ενός χταποδιού με ρηχά νερά και να φαίνεται μωβ καφέ, κοκκινωπό ή με σχέδια, έχει τεντωθεί. «Πρέπει να λυγίσουν τους μύες στο δέρμα τους για να συμβεί αυτό», εξηγεί Kirt Onthankσυν-συγγραφέας της μελέτης και καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Walla Walla.

Για να ποσοτικοποιήσουν την προσπάθεια που απαιτείται για αυτή τη χρωματική ελαστικότητα, οι Onthank και Sonner πήραν μικρά δείγματα δέρματος από 17 ζωντανά ρουμπινί χταπόδια. Οι επιστήμονες αναισθητοποίησαν προσωρινά τα κεφαλόποδα ώστε να υποβληθούν στις μικρές βιοψίες τους με ελάχιστη ενόχληση. «Τα βάλαμε σε αιθανόλη και μετά ανεβάσαμε το επίπεδο της αιθανόλης μέχρι που ουσιαστικά τα μεθύσαμε τόσο που λιποθύμησαν», λέει ο Onthank. «Δεν φάνηκε να τους ενοχλεί πολύ αφού τους ξυπνήσαμε», προσθέτει.

Μέσα σε 15 λεπτά από τη συλλογή, κάθε δείγμα δέρματος τοποθετήθηκε σε μια ειδικά σχεδιασμένη διάταξη αντικειμενοφόρου μικροσκοπίου, πλήρης με αισθητήρα οξυγόνου και θάλαμο τυπωμένο με 3D. Σε επαναλαμβανόμενες δοκιμές, οι επιστήμονες εξέθεσαν κάθε κομμάτι δέρματος σε σκοτεινές και φωτεινές συνθήκες ενώ ήταν ακόμη φρέσκο ​​και τα κύτταρα παρέμεναν ζωντανά και ανταποκρίνονταν, γεγονός που εναλλάξ απενεργοποίησε και επέκτεινε τα χρωματοφόρα. Μέτρησαν την κατανάλωση οξυγόνου ως δείκτη για τον κυτταρικό μεταβολισμό και τη χρήση ενέργειας σε κάθε φάση του πειράματος.

Βίντεο: Ρουμπίνια χταπόδια στη φύση κοντά στο νησί Whidbey, στην Ουάσιγκτον, αλλάζουν χρώμα. Πίστωση: Kirt L. Onthank.

Προηγούμενες μελέτες άλλων οργανισμών που αλλάζουν χρώμα σαν τα ψάρια και τρίτωνες προσπάθησαν να ποσοτικοποιήσουν το κόστος του χρώματος σε ένα ολόκληρο άτομο, τοποθετώντας τους οργανισμούς σε διαφορετικά περιβάλλοντα για να τονώσουν μια αλλαγή και στη συνέχεια αξιολογώντας την κατανάλωση οξυγόνου ή τροφής. Ωστόσο, αυτές οι προηγούμενες μελέτες είναι ανακριβείς επειδή είναι δύσκολο να διαχωριστούν οι επιπτώσεις της επαγόμενης αλλαγής χρώματος από το άγχος του χειρισμού ενός ζώου σε περιβάλλον εργαστηρίου.

Η νέα μέθοδος εξαλείφει αυτή την πρόκληση και αποκαλύπτει ότι η χρήση οξυγόνου στα δείγματα δέρματος αυξάνεται (κυριολεκτικά από 0 σε 60) όταν διαστέλλονται τα χρωματοφόρα. Χρησιμοποιώντας ένα σύνθετο μοντέλο επιφάνειας χταποδιού, που ελήφθη με την τοποθέτηση ενός χταποδιού σε έναν σαρωτή 3D, οι Onthank και Sonner υπολόγισαν ότι το συνολικό κόστος του σώματος για την ενεργοποίηση των χρωματοφόρων θα ήταν περίπου ισοδύναμο με την ενέργεια που χρησιμοποιείται για τη διατήρηση όλων των άλλων φυσιολογικών διεργασιών ανάπαυσης των ζώων. πολιτείες. «Είναι όσο το νευρικό τους σύστημα, τα έντερα τους – όλα τα άλλα», λέει ο Onthank. «Αν και τα χταπόδια κάνουν την αλλαγή χρώματος να φαίνεται αβίαστη, δεν είναι για αυτά».

Ακόμη και αυτή η εκτίμηση είναι πιθανώς συντηρητική, λέει ο Sonner – δεδομένου ότι η εκτίμηση της επιφάνειας του χταποδιού τους υπεραπλουστεύει και εξομαλύνει τα κεφαλόποδα, χωρίς να υπολογίζει κάθε βύθιση, διάσπαση και κομμάτι υφής. Επιπλέον, η αξιολόγηση της χρήσης ενέργειας ενός μεμονωμένου κομματιού δέρματος δεν μετράει τη γνωστική προσπάθεια που χρησιμοποιούν τα κεφαλόποδα για να συντονίσουν το καμουφλάζ σε όλο το σώμα τους. Σε μελλοντική εργασία, οι ερευνητές θα ήθελαν να συγκρίνουν την κατανάλωση ενέργειας χρωματοφόρων διαφορετικών ειδών, να εξετάσουν τη σχέση μεταξύ της ζήτησης μάζας και χρωματοφόρων και να αναπτύξουν μια καλύτερη μέθοδο για τη μέτρηση σε πραγματικό χρόνο, τη χρήση ενέργειας σε όλο το σώμα που σχετίζεται με την αλλαγή χρώματος, λέει. Ευχαριστώ.

Αλλά προς το παρόν, η φαινομενική ακραία δαπάνη των χρωματοφόρων προσθέτει στο εξελικτικό μυστήριο για το πώς αναπτύχθηκε ένα τόσο δαπανηρό σύστημα, λέει ο Birk. Οι πρόγονοι των σύγχρονων κεφαλόποδων είχαν κοχύλια για προστασία, αλλά κάπου στην πορεία η γενεαλογία τα έχασε – πιθανώς επειδή ήταν πλεονεκτικό να είναι μαλακό σώμα και να ψεκάζεται σε αντίθεση με τα σκληρά και βαρύτερα. «Υπάρχουν διαφορετικές πιθανότητες για το γιατί το έκαναν αυτό, αλλά σαφώς το έκαναν και τους πέτυχε – κάτι που είναι εντυπωσιακό όταν είναι τόσο ακριβό», λέει.

Βίντεο: Ένα χταπόδι στο Rosario Beach Marine Laboratory πιάνει ένα καβούρι και αλλάζει χρώμα. Πίστωση: Kirt L. Onthank.

Ενώ προκαλεί νέες ερωτήσεις, παρέχει επίσης πιθανές απαντήσεις για άλλους. Η προσπάθεια που απαιτείται για την ενεργοποίηση του δικτύου χρωματοφόρων μπορεί να εξηγήσει πτυχές της συμπεριφοράς και της οικολογίας των κεφαλοπόδων. Για παράδειγμα, οι συγγραφείς της μελέτης υποθέτουν ότι το ενεργειακό κόστος της αλλαγής χρώματος θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί τα χταπόδια περνούν τόσο πολύ χρόνο κρυμμένα στα κρησφύγετα τους και τείνουν προς τη νυχτερινή ζωή, ακόμη και με την ειδική τους ικανότητα καμουφλάζ. «Αν σου έπαιρνε απίστευτες ποσότητες ενέργειας για να σηκωθείς και να βγεις έξω, γιατί έπρεπε να ντύνεσαι κάθε φορά, ίσως απλά θα περίμενες μέχρι να φύγουν όλοι και να μπορέσεις να βγεις έξω με το PJ σου», λέει ο Onthank – κάνοντας χταπόδια παρόμοια. σε αφοσιωμένες αλλά μοναχικές επιρροές μακιγιάζ και στυλ.

Τα νέα ευρήματα θα μπορούσαν επίσης να εξηγήσουν γιατί τα κεφαλόποδα βαθέων υδάτων έχουν μειωμένο σύστημα χρωματοφόρων. «Καθώς προχωράτε πιο βαθιά, γίνεται πιο σκοτεινό, πράγμα που σημαίνει ότι τα χταπόδια δεν χρειάζεται πραγματικά να ανησυχούν τόσο πολύ μήπως τα δουν τα αρπακτικά», λέει. Kirt Onthankσυν-συγγραφέας της μελέτης και καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Walla Walla στην Ουάσιγκτον. «Η φύση τείνει να ακολουθεί τον πιο εύκολο δρόμο», προσθέτει. “Αν δεν χρειάζεστε ένα πολύ ακριβό σύστημα, τότε πιθανότατα θα το ξεφορτωθείτε.”