Wetenschap
Hoe komt de zebravis aan zijn strepen? Onderzoekers zijn een stap dichter bij het vinden ervan
Hoewel de zebravissen veel kleiner en minder bekend zijn dan hun naamgenoten op het land, bezitten de kleine vissen een unieke vaardigheid:ze kunnen de kleur van hun karakteristieke strepen snel veranderen van blauw naar geel als ze in nood zijn.
Net als kameleons bereiken zebravissen deze kleurtransformatie door structurele veranderingen. Door nauwkeurig en gelijktijdig de oriëntatie van lichtreflecterende kristallen op hun schubben en huid te veranderen, kunnen zebravissen de kleur van hun strepen over de gehele lengte van hun lichaam in enkele seconden veranderen.
Uit nieuw onderzoek dat verschijnt in de Proceedings of the National Academy of Sciences hebben wetenschappers de ingewikkelde cellulaire machinerie achter deze kleurverandering ontdekt. Met behulp van geavanceerde beeldvormingstechnieken hebben ze de moleculen, structuren en signaalmechanismen in de cel geïdentificeerd die samenwerken om de strepen van de zebravis van blauw naar geel te veranderen wanneer de vis onder stress staat.
"Niemand heeft deze structuren eerder op dit niveau gezien en niemand heeft laten zien hoe ze reageren op veranderingen in licht en kleur", zegt Jennifer Lippincott-Schwartz, senior groepsleider en hoofd van het onderzoeksgebied 4D Cellular Physiology bij Janelia. de senior auteur van de nieuwe studie in samenwerking met het laboratorium van John Hammer van de NIH. "Er is een voorstel geweest dat de kristallen op de een of andere manier hun rangschikking veranderen om hun kleur te veranderen, maar we laten precies zien hoe dat gebeurt."
De nieuwe bevindingen kunnen wetenschappers helpen de moleculaire mechanismen beter te begrijpen die ten grondslag liggen aan kleurverandering bij andere dieren – van kameleons tot roeipootkreeftjes – die soortgelijke structurele kleurveranderingen gebruiken om te communiceren, de lichaamstemperatuur te reguleren en camouflage te creëren.
“Het is logisch dat dezelfde componenten die hiervoor nodig zijn beschikbaar en aanwezig zijn in andere systemen, dus we denken dat dit een robuuste manier kan zijn voor organismen om van kleur te veranderen. En we hebben enkele voorlopige aanwijzingen dat dit daadwerkelijk plaatsvindt in andere organismen", zegt Dvir Gur, onderzoeker aan het Weizmann Institute of Science, die leiding gaf aan het nieuwe werk.
Onderzoek naar zebravisstrepen
Gur begon als postdoctoraal onderzoeker in het Lippincott-Schwartz-lab te onderzoeken hoe zebravissen aan hun strepen kwamen. In 2020 identificeerden Gur, Lippincott-Schwartz en een team van onderzoekers hoe de ordening van kleine guaninekristallen in de schubben van de zebravis zijn blauwe en gele strepen genereert.
Tijdens het bestuderen van de vis waren de onderzoekers geïntrigeerd door hoe de blauwe strepen van de zebravis zouden verdwijnen als een vishandelaar de kamer binnenkwam of als hij een gevecht verloor van een dominant mannetje.
Bij veel dieren vinden kleurveranderingen plaats wanneer zakjes pigment zich in de cel verspreiden en ophopen. Maar dit was niet het geval bij zebravis-iridoforen, waar een dergelijke beweging van de kristallen in deze cellen ervoor zou hebben gezorgd dat de iridoforen hun structurele kleur zouden verliezen. Er waren aanwijzingen dat de vis de oriëntatie van de kristallen kon veranderen om licht vanuit verschillende hoeken te reflecteren, waardoor verschillende kleuren ontstonden, maar hoe dat gebeurde werd niet begrepen.
"Dit was echt de trigger die ons ertoe bracht te kijken naar het mechanisme dat de kleurverandering in deze cellen mogelijk maakte", zegt Gur. "We wisten dat het anders moest."
Een close-up
Het team begon de kristallen voor en na de kleurverandering van dichterbij te bekijken met behulp van beeldvorming met hoge resolutie en op synchrotron gebaseerde röntgendiffractie.
Ze zagen dat de kristallen in iridoforen gerangschikt zijn in stapels van lange, plaatachtige structuren. De kleurverandering ontstaat door het gelijktijdig en nauwkeurig kantelen van deze kristallen. Gur vergelijkt het proces met de beweging van een jaloezie, waarbij de lamellen naar elkaar toe kantelen om te bepalen hoeveel licht er doorkomt. Wanneer een zebravis onder druk staat, kantelen de kristallen allemaal in een hoek van 20 graden, waardoor de afstand ertussen en de hoek van het licht dat erop valt verandert. Hierdoor veranderen de optische eigenschappen van de kristallen in de iridofoor, waardoor de strepen van de vis veranderen van blauw naar geel.
Vervolgens gebruikten de onderzoekers live-imaging om te begrijpen wat dit proces dreef. Na het kunstmatig opwekken van een stressreactie bij de vissen, ontdekte het team dat het kantelen mogelijk werd gemaakt door motoreiwitten, dyneïne genaamd, die langs microtubuli in de cel lopen en zich verbinden met de kristallen, waarbij ze eraan trekken en kantelen om de kleurverandering te creëren.
Het proces wordt gereguleerd door een molecuul genaamd cyclisch AMP, een tweede boodschappermolecuul dat wordt geactiveerd wanneer de vis gestrest is. Cyclisch AMP stuurt tegelijkertijd een signaal naar veel cellen in de vis, waardoor het kantelen wordt geactiveerd en alle strepen tegelijkertijd van kleur veranderen.
De nieuwe bevindingen bieden niet alleen een mechanisme voor structurele kleurverandering, maar kunnen ook helpen licht te werpen op de reden waarom sommige dieren deze moleculaire kristallen vormen, die bij mensen nierstenen en jicht kunnen vormen. Ze zouden ook kunnen bijdragen aan het ontwerp van door de mens gemaakte materialen en apparaten die profiteren van deze natuurlijke eigenschappen.
"Voor mij draait het eigenlijk allemaal om door nieuwsgierigheid gedreven wetenschap:alles wat we doen is omdat we de natuur beter willen begrijpen", zegt Gur, eraan toevoegend dat het opmerkelijk is om te zien hoe kleine organismen iets kunnen bereiken dat mensen, met hun geavanceerde technologie. , kan niet. "Maar hieruit kunnen veel verschillende dingen voortkomen die uiteindelijk ook nuttig kunnen zijn, van het gebruik van de natuur als bron om principes voor biomimicry te leren, tot optische apparaten die vergelijkbare benaderingen gebruiken, tot afstembare fotonische kristallen van de volgende generatie." P>