MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů
BARVOMĚNA ŽIVOČICHŮ Diplomová práce
Brno, 2007
Bc. Iva Veselá Vedoucí práce: RNDr. Martin Vácha, Ph. D.
1
Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracovala samostatně s pomocí uvedené literatury.
V Brně
Iva Veselá
2
Na tomto místě bych chtěla poděkovat vedoucímu své diplomové práce RNDr. Martinu Váchovi, Ph. D za odborné vedení, cenné rady, připomínky a ochotu, se kterou se mi při zpracovávání této práce věnoval.
3
Obsah 1. ABSTRAKT ........................................................................................................................................... 2 2. ÚVOD ..................................................................................................................................................... 2 3. ŽIVOČICHOVÉ A BARVY ................................................................................................................. 2 3.1 BAREVNÉ VIDĚNÍ ŽIVOČICHŮ ............................................................................................................. 2 3.2 ZBARVENÍ ŽIVOČICHŮ ........................................................................................................................ 2 4. ŽIVOČICHOVÉ A BARVOMĚNA..................................................................................................... 2 4.1 ROLE CHROMATOFORŮ ...................................................................................................................... 2 4.2 PŘÍKLADY ŽIVOČICHŮ VYUŽÍVAJÍCÍCH BARVOMĚNU ......................................................................... 2 5. CHROMATOFORY.............................................................................................................................. 2 5.1 TYPY CHROMATOFORŮ ...................................................................................................................... 2 5.2 MECHANISMUS FYZIOLOGICKÉ BARVOMĚNY ..................................................................................... 2 5.3 ONTOGENETICKÝ VÝVOJ CHROMATOFORŮ ........................................................................................ 2 5.4 SIGNÁLNÍ DRÁHY FYZIOLOGICKÉ BARVOMĚNY .................................................................................. 2 5.4.1 Signální dráhy pro disperzi pigmentu ....................................................................................... 2 5.4.2 Signální dráhy pro agregaci pigmentu...................................................................................... 2 6. FYZIOLOGICKÁ BARVOMĚNA HLAVNÍCH ŽIVOČIŠNÝCH SKUPIN.................................. 2 6.1 HLAVONOŽCI ..................................................................................................................................... 2 6.1.1 Chromatoforový orgán .............................................................................................................. 2 6.1.2 Chromatoforový systém v pokožce ............................................................................................ 2 6.1.3 Komplementace tělní kresby...................................................................................................... 2 6.1.4 Využití barvoměny ..................................................................................................................... 2 6.2 RYBY ................................................................................................................................................. 2 6.2.1 Chromatofory ............................................................................................................................ 2 6.2.2 Faktory prostředí, které přímo ovlivňují chromatofory ryb ...................................................... 2 6.2.3 Hormonální regulace chromatoforů ryb ................................................................................... 2 6.2.4 Nervová regulace chromatoforů ryb ......................................................................................... 2 6.3 OBOJŽIVELNÍCI .................................................................................................................................. 2 6.3.1 Dermální chromatoforová jednotka obojživelníků .................................................................... 2 6.3.2 Struktura chromatoforové jednotky........................................................................................... 2 6.4 PLAZI ................................................................................................................................................. 2 6.4.1 Dermální chromatofory plazů ................................................................................................... 2 6.4.2 Ultrastruktura dermálních chromatoforů plazů s nápadně zbarveným tělem (Scincidae: Plestiodon latiscutatus) ...................................................................................................................... 2 7. MORFOLOGICKÁ BARVOMĚNA ................................................................................................... 2 8. ZÁVĚR ................................................................................................................................................... 2
4
1. Abstrakt Tato diplomová práce se zabývá barvoměnou živočichů. Stručně pojednává o živočiších, kteří barvoměnu využívají (hlavonožci, ryby, obojživelníci a plazi), o funkci barvoměny a o chromatoforovém systému v jejich epidermis a škáře, který barvoměnu umožňuje.
This thesis covers the subject of the colour change of animals. It deals with the animals that use the colour change (cephalopods, fish, amphibians and reptiles), the function of colour change and the chromatophore system of their epidermis and dermis which makes the colour change possible.
5
2. Úvod Zbarvení těla je významným fenotypovým znakem živočichů. Umožňuje jim ochranu, ale také komunikaci. Rychlá změna barvy, která je zprostředkována specializovanými buňkami, se nazývá barvoměna. Barvoměna slouží živočichům k rychlému ukrytí před potenciálním predátorem či kořistí, ke komunikaci mezi jedinci stejného nebo jiného druhu a k vyjádření svého naladění. To všechno zvyšuje jejich šance na přežití, nalezení partnera a nakonec i rozmnožování. Živočichové se při maskování nejčastěji přizpůsobují barvě nebo odstínu pozadí. Při snaze zaujmout partnera obvykle hrají nejrozmanitějšími barvami.
Barvoměna je způsobena pigmenty, které se nacházejí ve specializovaných buňkách nazývaných chromatofory. Tyto pigmentové buňky se nalézají v epidermis nebo v hlubších tělních tkáních. Změna zbarvení se děje několika způsoby, například změnou velikosti chromatoforů (smrštěním a rozšířením) díky aktivitě připojených svalových vláken. U jiných skupin živočichů dochází ke změně barvy během rozptýlení (ztmavnutí) nebo nahromadění (zesvětlení) granulí pigmentu uvnitř buňky.
Cílem této diplomové práce je stručně popsat dosavadní poznatky o barvoměně u různých skupin živočichů, zejména u hlavonožců, ryb, obojživelníků a plazů, u kterých je barvoměna nejčastěji zkoumána.
V práci budou zmíněny nejprve kapitoly o zbarvení živočichů, barvoměně obecně, rozdělení chromatoforů a pak o barvoměně jednotlivých skupin živočichů (hlavonožci, ryby, obojživelníci a plazi).
6
3. Živočichové a barvy Barva je důležitým prostředkem ve vizuální komunikaci zvířat i lidí. Pomocí ní mohou mezi sebou předávat signály a také se přizpůsobit svému prostředí. Jedinci mohou využívat barev k tomu, aby byli vidět, nebo naopak k maskování, napodobování, šokování nebo zastrašení. Využívání barev je významnou strategií přežití v živočišném světě.
3.1 Barevné vidění živočichů Vnímání barev je závislé na vlnových délkách světla, které na daný objekt přichází, a na tom, které vlnové délky jsou odráženy. Jakým způsobem vidí lidé a živočichové barvy, zatím není beze zbytku vysvětleno, je ale známo, že vnímání barev je závislé na struktuře oka a mozku. Lidé, lidoopi a řada dalších obratlovců mají na sítnici tři různé typy čípků. Každý typ čípku je citlivý na jinou barvu a to na červenou, zelenou a modrou. Toto vnímání barev je tedy nazýváno jako trichromatické. Jsou-li aktivovány všechny tři typy čípků, je generován vjem bílé barvy. Čípky obsahují rhodopsin, což je fotosenzitivní pigment absorbující fotony a měnící jejich energii na elektrické signály. Tyto signály aktivují nervové buňky a ve zrakovém centru mozku vytváří obraz.
Ne každý živočich má schopnost vnímat všechny typy barev, které může vidět člověk. Většina savců má dichromatické vidění, kdy jim chybí schopnost vidět červenou barvu. Mezi ně patří například také býci a to navzdory tomu, že toreadoři před nimi často mávají červenou muletou. Někteří živočichové mohou detekovat také ultrafialové světlo. Ultrafialové světlo není schopné projít čočkou a rohovkou lidí a mnoha savců. Karas stříbřitý je příkladem druhu s tetrachromatickým viděním, rozeznává ultrafialovou,
červenou,
zelenou
a
modrou
barvu.
Většina
chobotnic
a hlubokomořských ryb může na druhou stranu detekovat pouze modré světlo a mají tedy monochromatické vidění.
U ptáků a některých plazů je situace ještě komplikovanější. V jejich sítnici se vyskytují oranžové, červené, žluté nebo průhledné olejové kapénky, které mění vlnové délky světla dopadajícího na různé typy čípků, a tím ovlivňuje barevné vidění. Čípky vyžadují pro svou aktivitu velké množství světla, při slabém osvětlení jsou tedy 7
nefunkční. Dalším typem buněk citlivých na světlo jsou tyčinky, které jsou naopak na světlo velmi citlivé a díky tomu umožňují vidění při tlumením světle a během noci. Na druhou stranu ale neumožňují barevné vidění, protože rhodopsin tyčinek má pouze jeden absorpční vrchol na 598nm (oranžová barva) (Wallin, 2002).
3.2 Zbarvení živočichů Lidé a jiní savci nejsou nijak zvlášť zářivě zbarvení, ale mají mnoho různých odstínů omezeného rozsahu. Barva vlasů je určena přítomností světlo pohlcujících molekul melaninu. Granule melaninu zvané melanosomy jsou produkovány buňkami, které jsou nazývány melanocyty. Nacházejí se ve vlasových cibulkách, kde jsou melanosomy přemisťovány do vlasů. Množství melaninu ve vlasech určuje, zda jsou světle nebo tmavě zbarvené. Jelikož můžeme produkovat dva různé typy melaninu, vyskytuje se několik různých odstínů vlasů. Prvním typem je eumelanin, který má hnědočerné zbarvení. Druhým je červenožlutý pheomelanin. Eumelanin tvoří převážné množství melaninu a určuje, jak světlé nebo tmavé vlasy budou. Produkce eumelaninu je indukována aktivací receptoru (melanokortinový receptor) na povrchu melanocytů. Za přítomnosti inhibičního proteinu nedochází k aktivaci tohoto receptoru a díky tomu je produkován pheomelanin (obr.1).
Obr.1: Melanocyty mohou produkovat červenožlutý pheomelanin i hnědočerný eumelanin. Aktivace melanokortinových receptorů vede k produkci častějšího eumelaninu, (Wallin, 2002).
8
Syntéza melaninu, melanogenese, probíhá uvnitř melanocytů. V Golgiho aparátu vznikají bezbarvé vezikuly obsahující tyrosinázu. Působením tyrosinázy je nejdříve transformován tyrosin na 3,4-dihydroxyfenilalanin (DOPA) a pak na dopachinon, který je po sérii transformací přeměněn na barevný melanin. Tyrosináza je syntetizována v ribosomech vyskytujících se na membránách drsného endoplazmatického retikula, jehož váčky se začleňují do Golgiho aparátu. Vezikuly uvolněné z Golgiho aparátu se nazývají melanosomy. Tyto struktury později ztrácejí tyrosinázovou aktivitu a stávají se zralými melaninovými granuly (URL 1).
Lidské vlasy mají po celé délce stejnou barvu, ale u některých savců můžeme například pozorovat srst, jejíž chlupy jsou na vrcholu a bázi černé, zatímco střední část je světlá. Takové míchání barev je způsobeno různou produkcí eumelaninu a pheomelaninu během různých růstových fází srsti. U rusovlasých jedinců se vyskytují melanokortinové receptory, které se od obvyklých receptorů nepatrně liší v aminokyselinové sekvenci. Aktivace těchto receptorů způsobí produkci pheomelaninu místo eumelaninu (obr.2). Tato rozdílnost není pouze u lidí, ale je dobře známa také u jiných živočichů, např. u červených a černých krav se nacházejí rozdílné receptory (Wallin, 2002).
Obr.2: U rusovlasých lidí je melanokortinový receptor odlišný, což má za následek produkci pheomelaninu, (Wallin, 2002).
9
Dřív nebo později vlasy lidí a srst některých zvířat šediví. Produkce melaninu v melanocytech ustává a vlasy nebo chlupy blednou. Tvrzení, že někdo zešedivěl během jedné noci, je pouze mýtus, protože zešedivění může nastat pouze tak, že vlasy rostou bez přídavku melaninu. Tento proces tedy zabírá mnohem více času než jednu noc. Nicméně stres nebo traumatická situace může způsobit padání vlasů. Šedé vlasy jsou pevněji vázány na lebku a nepadají tak snadno jako barevné. Výsledkem toho je, že se stáváme stále víc šedivými. Opravdu bílé vlasy máme až při úplném zastavení produkce melaninu.
Melanocyty nezpůsobují pouze zbarvení vlasů a srsti, ale také pokožky. Melanocyty se vyskytují společně s pokožkovými buňkami mezi epidermis a škárou. Tyto buňky mají množství dlouhých výběžků, které se rozprostírají v okolí pokožkových buněk. Zvláště velké množství melanocytů se nachází v oblastech, jako jsou pihy, mateřská znaménka, genitálie a bradavky. Naopak mezi oblasti s menším množstvím melanocytů patří rty, dlaně a chodidla na nohou. Zbarvení pokožky je závislé na tom, jaké množství melaninu je produkováno a přemísťováno do okolních buněk (obr.3).
Obr.3: Melanocyty produkují melanosomy, které jsem přemisťovány do okolních pokožkových buněk, (Wallin, 2002).
10
Jednotlivé etnické skupiny lidí se neliší podílem melanocytů, ale pouze produkcí a přemisťováním melaninu. Tyrosináza je klíčovým enzymem pro produkci pigmentu. Bylo zjištěno, že aktivita enzymu může být ovlivněna pH melanosomů. Tmaví lidé mají více neutrální pH, což způsobuje, že tyrosináza pracuje maximálně. Rozdíly, které lze pozorovat u lidí se světlou pokožkou, jsou závislé především na podílu produkce eumelaninu a pheomelaninu. Ačkoli jsou vlasy a pokožka stejného embryonálního původu, mohou být geny ovlivňující jejich zbarvení exprimovány nezávisle (Wallin, 2002). Pak mohou vznikat kombinace tmavých vlasů a světlé pokožky nebo světlých vlasů a snědší pokožky. Také u albínů se vyskytují melanocyty, ale neprodukují žádný melanin, protože nemají ve většině případů funkční tyrosinázu.
V současnosti je navrhována hypotéza, že buňky produkující melanin jsou součástí imunitní obrany, zejména proti bakteriím a houbám. Melanosomy obsahují množství enzymů, které se mohou zúčastňovat destrukce infekčního mikroorganismu. Melanocyty jsou schopné vylučovat širokou škálu signálních molekul, z nichž některé jsou známy svým zapojením v imunitním systému. Mnoho typů chemikálií a léčiv se permanentně váže na melanin. Jelikož se melanin z vlasů neodbourává, mohou být vlasy využívány k detekci zneužití různých léčiv nebo drog.
Živočichové vyvinuli množství speciálních adaptací, které jim usnadňují nalezení potravy, ochranu před predátorem, ale také nalezení partnera. Každá výhodná adaptace zvyšuje u živočichů šance na přežití a také šance na reprodukci. Jednou z nejrozšířenějších adaptací je maskování, což je schopnost ukrýt se před predátorem či kořistí.
K maskování slouží zbarvení, které odpovídá barvě okolí živočichů. Toto okolí se může samozřejmě čas od času měnit. Mnoho živočichů (bezobratlí i obratlovci) má proto vyvinuté speciální adaptace, které jim umožňují měnit své zbarvení v závislosti na změně barevnosti jejich prostředí.
Největší změny prostředí jsou spojeny se změnami ročních období, reakce na ně však nepředstavují typickou (fyziologickou) barvoměnu. Zatímco je hnědé zbarvení ideální pro zalesněné prostředí v letním období, v zimě může být takto zbarvený jedinec snadnou kořistí (obr.4). Mnoho ptáků a savců mění barvu svého peří a srsti v závislosti 11
na ročním období. Změny množství denního světla nebo změny teplot spustí u živočichů hormonální reakci, která zapříčiní produkci různých biochromů (Harris, 2001). Biochromy jsou mikroskopické pigmenty v tělech živočichů. Biochromy některé barvy absorbují a jiné odrážejí. Výsledná barva je dána kombinací vlnových délek světla, které jsou pigmentem odráženy.
Obr.4: Sezónní změny zbarvení srsti polární lišky. Na jaře a v létě je srst tmavě zbarvená, zatímco na podzim a v zimě má bílou srst, (Harris, 2001).
Peří a srst jsou stejně jako vlasy a nehty ve skutečnosti mrtvou tkání. Proto nemohou živočichové měnit jejich složení. Pokud má tedy u ptáků nebo savců dojít ke změně zbarvení, musí vzniknout zcela nové peří nebo srst.
Změny zbarvení mohou sloužit kromě maskování také ke komunikaci. Například u krocana se uplatňuje zčervenání krku a to zejména při útočných úmyslech. U některých primátů dochází ke zčervenání hýžďových lysin. Za určitý typ komunikace pomocí změny zbarvení můžeme považovat také zčervenání obličeje lidí, kteří jsou rozrušení. U některých ryb dosáhly změny barev sloužící ke komunikaci vrcholu. Tyto ryby mění své zbarvení podle různých motivací. Agresivní vyladění je nejtmavší, naopak při podřízenosti ryba přeladí své zabarvení do nenápadné světlé varianty. U ryb se jedná o typický příklad barvoměny, zatímco u ptáků a primátů tomu tak není.
12
4. Živočichové a barvoměna Mnoho živočichů, jako jsou ryby a žáby, má schopnost rychle měnit barvu tělesného pokryvu, čehož nejsou lidé a savci schopni. Tyto rychlé změny barvy jsou označovány jako barvoměna. Tito živočichové mají buňky produkující pigment, které jsou nazývány chromatofory. Barvoměna může být řízena buď hormonální nebo nervovou soustavou, případně oběma současně. Hormonální (chemická) regulace je podmíněna látkovými mechanismy a nervová (vzrušivá) regulace je podmíněna rychlými změnami polarizace povrchové membrány zúčastněných složek (Jánský, 1998). Tabulka 1 shrnuje živočichy využívající barvoměnu a také zda je ovládána nervově nebo hormonálně.
ŘÍZENÍ BARVOMĚNY Hmyz
HS
Korýši
HS
Hlavonožci
NS
Ryby
HS+NS
Obojživelníci
HS
Plazi
HS+NS
Tab. 1: Přehled živočišných skupin využívajících barvoměnu a typ jejího řízení NS – nervová soustava HS – hormonální soustava
Jsou rozlišovány dva typy barvoměny: morfologická a fyziologická. Fyziologická barvoměna je umožněna přesunem granulí pigmentu uvnitř chromatoforů v důsledku různých podnětů (světlo, teplota apod.). Agregace a disperze pigmentu je způsobována změnami iontových nábojů chromatoforů. Změny náboje uvnitř buněk způsobí změnu barvy (Nery a Castrucci, 1997). Změna iontové rovnováhy je způsobena hormonální nebo nervovou cestou. Jedná se o krátkodobé a rychlé změny zbarvení, tedy procesy, které jsou nejčastěji jako barvoměna chápány. Fyziologickou barvoměnu využívají například chobotnice nebo chameleoni k maskování a komunikaci. 13
Morfologická barvoměna je pomalý proces, který je způsobený kvantitativní změnou v počtu, typu a distribuci chromatoforů, nebo typu a množství pigmentů. Tyto změny zahrnují syntézu nebo destrukci velkého množství pigmentu, ale také proliferaci či apoptózu chromatoforů. Při dlouhodobé adaptaci k prostředí dochází nejdříve k fyziologické barvoměně, která je po určité době vystřídána morfologickou (Sugimoto, 2002). Řízení morfologické barvoměny není dosud zcela objasněno, ale předpokládá se zapojení faktorů, které ovlivňují barvoměnu fyziologickou. Příkladem morfologické barvoměny jsou změny zbarvení související se změnami ročních období.
4.1 Role chromatoforů Chromatofory jsou od savčích melanocytů (jediný typ chromatoforů savců) odlišné v tom, že mohou rychle transportovat chromatosomy buď do středu buňky (agregace) nebo je rozptýlit po celé buňce (disperze). Chromatofory mohou mít různá zbarvení, ale vždy se v jednom chromatoforu vyskytuje pouze jedna barva. Mohou obsahovat černé, červené, žluté, modré a bílé chromatosomy (např. melanofory, erytrofory, xantofory, cyanofory a leukofory). Sleď má stříbřitou barvu, která je produkována iridiofory obsahujícími krystalky guaninu. Tyto krystalky mají tvar paralelních destiček odrážejících světlo a díky tomu vypadá ryba stříbřitě. Některé ryby mohou ovlivňovat své zbarvení změnami vzdálenosti mezi destičkami (Sugimoto, 2002). U neonky můžeme pozorovat postranní čáru, jejíž barva se může měnit mezi modrou a zelenou. Některé ryby mají v pokožce umístěny melanofory pod iridiofory, které obsahují velmi malé krystalky. Tyto iridiofory odráží světlo všemi směry a tím vytváří modrou barvu.
Barvoměna u ryb je často rychlá a kontrolovaná nervovými signály, do řízení mohou být zapojeny i hormony. Jedinec si uvědomí zbarvení svého okolí zrakem a pomocí mozku dojde k vyslání signálů do chromatoforů. Melatonin je hormon, který je produkovaný převážně během noci. Způsobuje světlání chromatoforů, což je možno pozorovat během noci. Barvoměna žab je pomalá a ovlivňována hormony. Nedávno byl na chromatoforech objeven speciální receptor, který se aktivuje světlem..
Na obrázku 5 je kostnatá ryba Grahamino capito, která na tmavém pozadí tmavne (a) a na světlém pozadí bledne (b). Chromatofory jsou přítomné jak v pokožce, tak v šupinách. Obrázek 5c ukazuje rozptýlené melanofory v šupině a na obrázku (d) jsou
14
agregovány. Melanosomy jsou v buňce transportovány po „drahách“. Tyto dráhy jsou tvořeny proteinovými podjednotkami, které jsou sestaveny do podoby nitkovité struktury cytoskeletu (Wallin, 2002). Cytoskelet tvoří dvě různé cytoskeletální struktury – mikrotubuly a mikrofilamenta. Podél nich probíhá transport na dlouhé nebo krátké vzdálenosti. Mikrofilamenta se zúčastňují rozšiřování chromatosomů po buňce. Mikrotubuly jsou využívány k rychlému transportu do nebo z centra buňky.
Obr.5: Změny barev u ryby druhu Grahamino capito. a) Ryba se k tmavému prostředí adaptuje tmavnutím pokožky. b) Je-li umístěna ve světlém prostředí, pokožka bledne. Tyto změny jsou umožněny rychlým intracelulárním transportem pigmentových organel uvnitř chromatoforů v kůži a šupinách. Pokud jsou pigmentové organely stejnoměrně rozmístěny v buňce (c), je ryba tmavá. Jsou-li tyto organely nahromaděny v centru buňky (d), je světlá, (Wallin, 2002).
Existuje mnoho zeleně zbarvených živočichů, např. chameleon obecný (Chamaeleon chamaeleon,), rosnička (Hyla arborea, obr.6) a také mnoho hadů. Jejich barva je vytvářena jakousi komplexní cestou. Umístěním černých chromatoforů dole a iridioforů
15
nahoře vzniká odrazem světla modré zbarvení. Navíc mají nad iridiofory umístěny chromatofory se žlutým pigmentem a díky tomu je celkovým výsledkem zelená barva.
Chromatofory se vyskytují také u chobotnic, ale barevná změna je způsobena kontrakcí a relaxací svalů obklopujících buňku, které mění velikost chromatoforu. Některé chobotnice také vytváří inkoust obsahující melanin, který vypouští do vody, aby se mohly skrýt před predátory.
Obr.6: Rosnička zelená (Hyla arborea),(URL 2).
4.2 Příklady živočichů využívajících barvoměnu Nejznámějším živočichem měnícím své zbarvení je chameleon. Barvoměnu využívá spíše k vyjádření svého fyzického a fyziologického stavu než k maskování. Barva pokožky se mění podle emočního rozpoložení zvířete, světla nebo teploty. Barvoměna u nich hraje také důležitou roli při komunikaci. Mladí chameleoni mají zelené zbarvení, které jim umožňuje splynout s listím stromů. Je-li chameleon rozrušený, nahradí jeho nenápadné zbarvení žlutá nebo červená barva, což má pravděpodobně varovat jiné chameleony, aby se od něj drželi dál. Chce-li sameček zaujmout samičku, mění se jeho barva z hnědé na nachovou a světle modrou.
16
Sépie mohou vytvářet širokou škálu barev a mnoho zajímavých tělních kreseb (obr.7). Díky vnímání barvy pozadí a smrštění správné kombinace chromatoforů mohou splynout se svým prostředím. Schopnost měnit barvu jim také umožňuje komunikaci s jinými jedinci.
Obr.7: Sepia latimanus, (URL 3).
Také mnoho korýšů má schopnost barvoměny, která jim umožňuje přizpůsobit se barvě svého prostředí. Garnát Cargon vulgaris může okouzlujícím způsobem přizpůsobit svou barvu bílému, černému, šedému, žlutému, červenému nebo oranžovému prostředí. Mnoho druhů může také měnit svůj odstín od světlého k tmavému. Chromatofory ovlivňuje intenzita záření i teplota. Bílé chromatofory mají tendenci se při vysoké teplotě rozšiřovat. Tím dojde k zesvětlení jedince. To může mít u některých druhů termoregulační význam. U krabů rodu Uca mají světle zbarvení jedinci teplotu o dva stupně nižší než tmavě zbarvení.
Schopnost sladit barvu s prostředím se vyskytuje také u hmyzu. Například sarančata rodu Oidipoda se v závislosti na barvě svého pozadí liší barvou od žluté přes červenou, šedou a černou. Larvy kudlanky nábožné (Mantis religiosa) při vysoké relativní vlhkosti (70-100%) rychle přizpůsobují svou barvu světlému nebo tmavému pozadí.
V severní Americe se vyskytuje druh pavouka Misumena vatia, který je schopen měnit svoji barvu ze žluté na bílou a naopak. Ke změně barvy dochází v závislosti
17
na tom, jak je zbarvený květ, na kterém číhá na kořist. Nejčastěji se vyskytuje na sedmikráskách a slunečnicích. Je schopen produkovat tekutý žlutý pigment, který se při výskytu na žlutém květu přesunuje do nejsvrchnějších vrstev tělního pokryvu. V případě, že se vyskytuje na bílém květu, je tento žlutý pigment přemisťován do hlubších vrstev a jedinec se zbarví bíle. Pokud se po delší dobu vyskytuje na bílém květu, dochází k exkreci pigmentu. Barvoměna z bílé barvy na žlutou zabírá 10 – 25 dnů, zatímco naopak asi 6 dnů (Oxford a Gillespie,1998). Změna z bílé na žlutou barvu zabírá více času, protože musí pavouk nejdříve vyprodukovat pigment.
Zajímavostí je, že mořští plži využívají ke změně své barvy pigmenty korálů, které jim slouží jako potrava. Tyto pigmenty jsou ukládány do pokožky nebo do vychlípeniny jejich střeva. Při změně prostředí se změní složení jejich potravy a tím i jejich zbarvení.
18
5. Chromatofory Buňky obsahující pigment byly poprvé popsány u bezobratlých jako chromoforo italským vědcem Sangiovannim v roce 1819. Označil tak barevná tělíska, která jsou zodpovědná za barvoměnu hlavonožců. Termín chromatofor byl přijat později jako název buněk obsahujících pigment a vznikajících v neurální liště studenokrevných obratlovců a hlavonožců. Toto slovo pochází z řeckého slova khroma, což v překladu znamená „barva“, a phoros znamenající „nesoucí“. Naopak slovo chromatocyt (cyte je řecký výraz pro „buňku“) bylo přijato jako název pro buňku určující barvu u ptáků a savců (URL 4). U těchto živočichů byl identifikován pouze jeden typ chromatocytů – melanocyty.
Jako chromatofory jsou tedy nazývány živočišné buňky, které buď obsahují pigment nebo odrážejí světlo. Můžeme je nalézt u hlavonožců, korýšů, ryb, obojživelníků a plazů. Jsou velkou měrou zodpovědné za zbarvení pokožky a oka u studenokrevných živočichů. Během embryonálního vývoje vznikají z neurální lišty. Zralé chromatofory můžeme rozlišit do podtříd na základě jejich barev za bílého světla. Xantofory mají žlutou barvu, erytrofory červenou, iridiofory duhovou, leukofory bílou, melanofory černou a cyanofory modrou.
Některé druhy živočichů mohou rychle měnit barvu přemísťováním pigmentu a reorientací reflektujících destiček uvnitř chromatoforů. Tento proces bývá nazýván jako fyziologická barvoměna. U hlavonožců (jako je chobotnice) barvoměnu zajišťuje komplex chromatoforových orgánů rozptýlených v pokožce celého těla, které jsou ovládané svaly (Messenger, 2001). Naproti tomu u obratlovců (jako je chameleon) je stejného efektu dosaženo změnou zbarvení jednotlivých chromatoforových buněk pod vlivem různých signálů. Těmito signály mohou být hormony nebo neurotransmitery a mohou být iniciovány změnami emočního stavu („nálady“), teploty, stresem nebo viditelnými změnami okolního prostředí.
Na rozdíl od studenokrevných živočichů mají savci a ptáci jediný typ buněk podobných chromatoforům. Tyto buňky se nazývají melanocyty a jsou ekvivalentní melanoforům studenokrevných (viz dále).
19
5.1 Typy chromatoforů Zatímco všechny chromatoforové buňky obsahují pigment nebo reflektující struktury, ne všechny buňky, které obsahují pigment, jsou chromatofory. Například hem je zodpovědný za červený vzhled krve. Primárně se nachází v červených krvinkách (erytrocytech). Ty ale nejsou řazeny mezi chromatofory.
A) Xantofory a erytrofory Chromatofory, které obsahují velké množství žlutého pteridinového barviva, jsou nazývány xantofory a ty s převahou červenooranžových karotenoidů nazýváme erytrofory. Bylo zjištěno, že vesikuly obsahující pteridiny a karotenoidy se někdy vyskytují společně uvnitř stejné buňky. Pak je celková barva buňky závislá na podílu červeného a žlutého pigmentu. Schopnost vytvářet pteridiny z guanosin trifosfátu je společným rysem většiny chromatoforů. Zdá se ale, že xantofory mají navíc doplňkové biochemické dráhy, které umožňují větší nahromadění žlutého pigmentu. Karotenoidy jsou naopak metabolizovány z potravy a transportovány do erytroforů.
B) Iridiofory a leukofory Iridiofory, někdy také nazývány guanofory, jsou pigmentové buňky, které odrážejí světlo pomocí destiček tvořených guaninem. Při osvětlení vytváří duhové barvy v důsledku difrakce světla uvnitř destiček. Orientace těchto destiček určuje, jaký bude charakter pozorované barvy. Iridiofory mohou produkovat modrou nebo zelenou barvu. Příbuzný typ chromatoforů, leukofory, se nacházejí u některých druhů ryb. Podobně jako iridiofory využívají krystalické puriny k odrazu světla a tím poskytují zářivě bílou barvu, kterou můžeme pozorovat u některých ryb.
C) Melanofory Melanofory obsahují eumelanin, typ melaninu, který se jeví černý nebo tmavě hnědý díky jejich světlo absorbujícím vlastnostem. Eumelanin je uzavřený ve vesikulech zvaných melanosomy, které se nacházejí po celé buňce. Eumelanin vzniká z tyrosinu sérií katalytických chemických reakcí. Klíčovým enzymem při syntéze melaninu je tyrosinása. Pokud je tento protein defektní, nemůže být syntetizován melanin a v důsledku toho vznikají určité typy albinismu. U některých druhů obojživelníků se mohou ve vesikulech vedle melaninu vyskytovat také jiné pigmenty. Například u jistého
20
rodu žab byl v melanoforech identifikován neobvyklý tmavě červený pigment. Byl identifikován jako pterorhodin, dimer pteridinu, který se hromadí kolem eumelaninu.
Již zmíněné savčí melanocyty, které jsou jedinými pigmentovými buňkami lidí, generují barvu pokožky, vlasů a očí a jsou savčím ekvivalentem melanoforů. Kromě eumelaninu mohou melanocyty vytvářet žlutočervený pigment zvaný pheomelanin. Melanofory jsou nejčastěji studovaným typem chromatoforů.
D) Cyanofory V roce 1995 bylo dokázáno, že zářivě modré barvy ryby vřeténky mandarín (Synchiropus splendidus, obr.8) nejsou generovány iridiofory (Goda, 1995). Místo toho je za tuto barvu zodpovědný pigment cyan neznámé chemické struktury. Tento pigment nacházející se nejméně u dvou druhů ryb je v živočišné říši neobvyklý.
Obr.8: Vřeténka mandarín (Synchiropus splendidus). Některé zářivě zbarvené druhy mají neobvyklé chromatofory obsahující pigment neznámého složení, (URL 5).
21
5.2 Mechanismus fyziologické barvoměny Ke změně barvy dochází u hlavonožců odlišným způsobem než u ostatních živočichů, kteří mají schopnost barvoměny. U hlavonožců je změna barvy umožněna stahem a relaxací svalů připojených k chromatoforovému orgánu. U ryb, obojživelníků a plazů dochází ke změně barvy přemisťováním pigmentových granulí uvnitř chromatoforu. Oba mechanismy budou proto zmíněny odděleně.
A) Translokace pigmentu v chromatoforech ryb, obojživelníků a plazů Mnoho druhů má schopnost přemísťovat pigment uvnitř chromatoforů, což má za následek změnu barvy. Tento proces, známý jako fyziologická barvoměna, je nejvíce studovaný u melanoforů, protože je melanin nejtmavší a nejviditelnější pigment. U většiny živočichů s relativně tenkou škárou, jsou dermální chromatofory ploché a vytváří velkou plochu. U živočichů se silnou škárou, jako jsou dospělí jedinci plazů a obojživelníků, vytváří dermální chromatofory společně s dalšími typy chromatoforů třídimenzionální jednotku. Tato dermální chromatoforová jednotka sestává z xantoforů nebo erytroforů v nejhořejší vrstvě, pod nimi se nacházejí iridiofory a nakonec je vrstva melanoforů, jejichž výběžky kryjí iridiofory (Bagnara a kol., 1968).
Oba typy dermálních melanoforů jsou důležité pro fyziologickou barvoměnu. Ploché dermální melanofory často pokrývají jiné chromatofory, takže pokud je pigment rozptýlený po buňce, jeví se pokožka tmavě. Pokud se ale pigment melanoforů nahromadí ve středu buňky, může být pigment jiných chromatoforů vystaven světlu a pokožka pak získá jeho odstín. Podobně je tomu u dermální chromatoforové jednotky, po agregaci melaninu se pokožka jeví zelená díky odrazu světla iridiofory a jeho průchodem xantofory. Při disperzi pigmentu není světlo odráženo a proto se pokožka jeví tmavě.
Řízení a mechanismus rychlé translokace pigmentu byly studovány u různých druhů, obzvláště obojživelníků a kostnatých ryb. Bylo dokázáno, že proces může být pod hormonální, nervovou nebo obojí kontrolou. Hlavními hormony zapojenými v regulaci translokace jsou melanokortiny, melatonin a melanin koncentrující hormon (MCH), které jsou po řadě produkovány převážně hypofýzou, epifýzou a hypotalamem. Tyto hormony mohou být také produkovány parakrinně buňkami kůže. Na povrchu
22
melanoforů tyto hormony aktivují receptory spřažené s G-proteiny a tím je signál transdukován do buňky. Melanokortiny způsobují disperzi pigmentu (obr.9), zatímco melatonin a MCH jeho agregaci (Fujii, 2000).
Obr.9: Granule pigmentu v buňce chromatoforu při disperzi, (URL 6).
U ryb a obojživelníků bylo identifikováno množství melanokortinových, MCH a melatoninových receptorů. Uvnitř buněk je významným druhým poslem cyklický adenosin monofosfát (cAMP), který ovlivňuje jiné proteiny, jako je například proteinkináza A. Ovlivněním proteinkinázy A dochází k přesunu vesikulů obsahujících pigment podél mikrotubulů a mikrofilament (Nery a Castrucci, 1997).
B) Chromatofory hlavonožců Hlavonožci podtřídy dvoužábří, mezi které se řadí například chobotnice pobřežní (Octopus
vulgaris, obr.10), využívají
k
rychlé
změně
zbarvení komplexní
mnohobuněčný „orgán“. Nejpozoruhodnější změny barev se odehrávají u jasně zbarvených chobotnic a sépií. Každá chromatoforová orgán je složený z jediné chromatoforové buňky a množství svalů, nervů, gliových buněk a buněk pochvy chromatoforu (Messenger, 2001) (podrobněji viz str.28). Uvnitř chromatoforové buňky jsou pigmentové granule uzavřeny do elastického váčku zvaného cytoelastický váček.
23
Změna barvy vzniká deformací tvaru nebo velikosti váčku pomocí svalových kontrakcí. Tím dochází ke změně jejich průsvitnosti, odrazivosti nebo průhlednosti. Tak se odlišují od mechanismu využívaného u ryb, obojživelníků a plazů, kde se změna barvy odehrává přesunem pigmentových váčků uvnitř buňky.
Chromatofor hlavonožců funguje jako komplex a výsledkem je pestrost rychle se měnících barevných schémat. Předpokládá se, že nervová centra řídící chromatofor jsou umístěna v mozku. Změny barevných vzorů jsou tedy řízeny nervovou aktivitou. Neurony jsou postupně jeden po druhém aktivovány a proto nastává změna barvy ve vlnách. Stejně jako chameleoni, hlavonožci využívají fyziologickou barvoměnu k sociální interakci. V adaptaci k prostředí patří mezi nejzkušenější živočichy. Mají schopnost odpovídat okolnímu prostředí jak barvou tak strukturou, a to s podivuhodnou přesností.
Obr.10: Octopus vulgaris – přizpůsobení se okolnímu prostředí, (URL 7).
24
5.3 Ontogenetický vývoj chromatoforů Chromatofory jsou jedním z typů buněk, které vznikají v neurální liště během embryonálního vývoje. Neurální lišta je pás buněk vyskytující se na okraji nervové trubice (obr.11). Tyto buňky mají schopnost cestovat na dlouhé vzdálenosti a tím chromatoforům umožňují osidlovat množství orgánů v těle, včetně pokožky, oka, ucha a mozku. Chromatoblasty opouštějí neurální lištu ve vlnách a nabírají buď dorsolaterální směr přes škáru a vstupují pak přes malé otvory v bazální membráně do ektodermu, nebo naberou ventromediální směr mezi somity a nervovou trubicí. Výjimkou jsou chromatofory pigmentového epitelu sítnice oka, které nevznikají v neurální liště (URL 4).
Obr.11: Příčný řez vyvíjejícím se trupem obratlovců. Šipkami je znázorněn dorsolaterální (červená) a ventromediální (modrá) směr migrace chromatoblastů z neurální trubice, (URL 4).
25
5.4 Signální dráhy fyziologické barvoměny Mnoho živočichů má schopnost měnit barvu rychle, obvykle jako okamžitou odpověď na podněty prostředí. Těmi může být barva prostředí, intenzita osvětlení nebo změna sociálního kontextu. Toto přizpůsobení barvy, zvané fyziologická barvoměna, je umožňováno přemisťováním granulí pigmentu uvnitř pigmentových buněk. Rozlišují se dva možné pohyby pigmentů v rámci buněk. Při disperzi dochází k centrifugálnímu (odstředivým) přesunu granulí pigmentu do buněčných výběžků. Naproti tomu agregace pigmentu centripetálním (dostředivým) pohybem hromadí granule v perinukleární oblasti buňky. Znalosti o migraci pigmentu jsou stále neúplné. V řízení migrace pigmentu může být uplatněn nervový i endokrinní systém. Vzájemné zapojení těchto dvou systémů se liší mezi skupinami živočichů, ale také uvnitř každé skupiny.
5.4.1 Signální dráhy pro disperzi pigmentu U všech skupin živočichů jsou signální dráhy pro disperzi závislé na cyklickém adenosin monofosfátu (cAMP). Po navázání látky způsobující disperzi na receptor chromatoforu (s výjimkou iridioforů) dojde k aktivaci adenylátcyklázy a tím ke zvýšení hladiny cAMP (Nery a Castrucci, 1997). Tento vzestup aktivuje proteinkinázu A (PKA), která následně fosforyluje granule vážící protein. Ve fosforylovaném stavu se tento protein oddělí od cytoskeletu a granule jsou pak volné pro přemístění kinesinem do okrajových částí buňky. U obojživelníků a plazů, na rozdíl od korýšů a kostnatých ryb, je ale možná ještě jedna signální dráha pro disperzi pigmentu, ve které se uplatňuje cytoplazmatický Ca2+. Po navázání látky na receptor dojde k aktivaci fosfolipázy C a následnému zvýšení hladiny Ca2+ v chromatoforu. Tím se inaktivní proteinkináza C (PKC) změní na aktivní a následně fosforyluje granule vážící protein.
5.4.2 Signální dráhy pro agregaci pigmentu Jelikož je disperze spouštěna zvyšováním hladiny cAMP, dá se očekávat, že látky způsobující agregaci indukují snižování obsahu cAMP. U všech skupin živočichů dojde po aktivaci receptoru spřaženého s G-proteinem k inhibici adenylátcyklázy, což vede ke snížení hladiny cAMP a následné inaktivaci PAK (Nery a Castrucci, 1997). V tomto
26
stavu může tato specifická fosfatáza defosforylovat granule vážící protein a tím umožnit dyneinu transportovat granule pigmentu do středu buňky, kde se nahromadí kolem jádra. U kostnatých ryb a korýšů může být agregace závislá také na obsahu vápníku v chromatoforech. Po navázání katecholaminů na chromatofory kostnatých ryb dojde k náhlému vzestupu cytoplazmatického Ca2+. Tento vzestup je u některých druhů kostnatých ryb signálem pro aktivaci PKC, která je pravděpodobně hlavním činitelem způsobujícím agregaci vyvolanou katecholaminy. U jiných druhů je agregační odezva na katecholaminy zřejmě závislá pouze na inhibici adenylátcyklázy. Zatím není objasněno, proč zvýšená hladina Ca2+ vyvolá u korýšů a kostnatých ryb agregaci pigmentu, zatímco u obojživelníků a plazů disperzi.
27
6. Fyziologická barvoměna hlavních živočišných skupin Tato kapitola se věnuje barvoměně z pohledu různých živočišných skupin. Zařazeni jsou hlavonožci, ryby, obojživelníci a plazi. Jsou to skupiny živočichů, u kterých je barvoměna nejčastěji zkoumána.
6.1 Hlavonožci Hlavonožci jsou označováni za chameleony oceánu. Většina zástupců hlavonožců má schopnost měnit barvu. Jak již bylo zmíněno, jsou chromatofory hlavonožců spíše jakýmsi komplexním orgánem než jedinou buňkou a nejsou nikdy kontrolovány hormonálně. Součástí každého chromatoforu je elastický váček obsahující pigment, který je obklopen sadou příčně pruhovaných svalů. Každý sval má své nervy a glie. Při podráždění se svaly stáhnou a tím se chromatofor rozšíří. Pokud svaly relaxují, pak energie uložená v elastickém váčku chromatofor stáhne. Velikost a hustota chromatoforů je závislá na prostředí i stáří jedince. Chromatofory obsahující různě barevný pigment jsou v kůži rozloženy tak, aby se nepřekrývaly a současně mohly spolupracovat se strukturami umístěnými pod nimi. Chromatofory nejsou inervovány jednotlivě, ale specifická nervová vlákna vždy inervují skupinu chromatoforů uvnitř pevné morfologické struktury, která vytváří tzv. „fyziologické jednotky“. Tyto jednotky se pak projevují jako viditelná „chromatoforová pole“ (Messenger, 2001).
Chromatofory jsou řízeny sadou laloků v mozku, které mají hierarchickou organizaci. Na nejvyšší úrovni je optický lalok, který získává převážně vizuální informace. Na základě těchto informací pak vybírá specifické motorické programy (např. vzorování těla). Na nejnižší úrovni hierarchické organizace jsou motoneurony v chromatoforových lalocích mozku, které rozhodují o aktivitě či inaktivitě chromatoforu při napodobování vzhledu okolí. U Octopus vulgaris se v chromatoforových lalocích nachází více než půl milionu neuronů. Dále jsou zde přítomny receptory pro klasické neurotransmitery a různé transmitery využívané pro aktivaci (nebo inhibici) motoneuronů chromatoforů různých barevných skupin.
28
Pro celkový vzhled barevných vzorů pokožky hlavonožců se používá název tělní kresba. Ta je tvořena z množství složek vytvořených z několika jednotek. Tyto jednotky ještě obsahují další součásti: chromatofor samotný, dále buňky odrážející světlo a svaly pokožky. Nervové řízení chromatoforů umožňuje hlavonožcům měnit jejich vzhled v podstatě téměř okamžitě. Primární funkcí chromatoforů je maskování a signalizace.
Při popisu chromatoforu je nezbytné upozornit na to, jak se chromatofory hlavonožců odlišují od chromatoforů korýšů, ryb, obojživelníků a plazů. U těchto živočichů výraz chromatofor popisuje větvenou buňku, uvnitř které se mohou pohybovat granule pigmentu. Řízení takového pohybu je obvykle endokrinní. U některých skupin se ale také vyskytuje nervová kontrola a u jiných jsou kombinovány oba druhy. U hlavonožců jsou chromatofory celé orgány a fungují absolutně bez endokrinního vlivu.
Díky nervovému řízení jsou chromatofory hlavonožců zvláště dobře přizpůsobené signalizaci a to z několika důvodů: (i) systém umožňuje rychlou signalizaci a rychlou výměnu signálů; (ii) signály mohou být odstupňovány podle intenzity; (iii) je možná současně probíhající dvoustranná signalizace; (iv) chromatofory jsou naprosto nezávislé na jiných svalech těla, proto signalizace nespolupracuje s jinými motorickými jednotkami (Messenger, 2001).
6.1.1 Chromatoforový orgán Na obrázku 12 je všeobecně známé a často uváděné znázornění chromatoforového orgánu olihně Loligo opalescens (Cloney a Florey, 1968). Pochází z prvního ultrastrukturálního zkoumání chromatoforu hlavonožců. Cloney a Florey prokázali, že se v chromatoforovém orgánu vyskytuje pět typů buněk: chromatofor, radiální svaly, chromatoforové nervy, gliové buňky a buňky pochvy chromatoforu.
29
Obr.12: Schéma smrštěného chromatoforového orgánu olihně Loligo opalescens, (Cloney a Florey, 1968).
A) Chromatofor Ve středu každého chromatoforu je jediná buňka, která na okraji obsahuje jádro, hladké endoplazmatické retikulum a několik mitochondrií. Uprostřed této buňky jsou velké, nejlépe viditelné oddíly obsahující granule pigmentu. U druhu Loligo opalescens jsou pigmenty inkluze vázané na membránu, které jsou buď elipsoidní (u žlutých a červených chromatoforů) nebo přibližně kulaté (u hnědých chromatoforů). Pigment propůjčuje chromatoforovému orgánu žlutou, červenou, hnědou nebo černou barvu. Je třeba zdůraznit, že se mezi různými druhy hlavonožců nacházejí rozdíly v barevnosti chromatoforů (obr.13). Například u Loligo opalescens a Sepia officinalis se vyskytují žluté, červené a hnědé chromatofory, zatímco se u Alloteuthis subulata vyskytují pouze žluté a červené chromatofory a u Octopus vulgaris žluté, oranžové, červené, hnědé a taky černé chromatofory (Messenger, 2001).
30
Obr.13: Různě barevné chromatofory u tří druhů hlavonožců: (A) Sepia officinalis, (B) Loligo plei, (C) Sepioteuthis sepioidea, (Messenger, 2001).
Pigmenty jsou po chemické stránce zpravidla ommochromy, které mohou být žluté, oranžové, červené a hnědé. Všechny pravděpodobně patří do jediné biochemické skupiny, která je odvozená z oxidace tryptofanu. Jak již bylo zmíněno výše, vyskytují se u Octopus vulgaris také chromatofory černé. Tyto chromatofory obsahují pigment, který je s největší pravděpodobností melanin (eumelanin). Bylo zjištěno, že některé chromatofory vznikají jako čiré oblasti, ale během několika dnů postupně tmavnou, mění se přes oranžovou k tmavě červené a v zakalenou hnědou barvu a nakonec zcela zčernají. Tím byla vlastně nepřímo zpochybněna přítomnost melaninu. Froesch a Packard (1979) navíc ukázali, že u Octopus vulgaris leží nejmladší, světle žluté chromatofory nejhlouběji v pokožce, zatímco nejstarší, černé chromatofory se vyskytují nejčastěji na povrchu. Váček obsahující pigmentové granule je hladký a složený z jemného vláknitého materiálu. Tento váček bývá nazýván jako cytoelastický váček. Je obklopený chromatoforovou buněčnou membránou, která je součástí povrchu váčku. Cytoelastický váček se aktivně neúčastní kontrakce, která způsobuje smrštění chromatoforu. Ta je zajištěna radiálními svaly. Elastické vlastnosti váčku vyvolají smrštění chromatoforu po té, co radiální svaly relaxují. Proto obsahují chromatofory jen malé množství mitochondrií, zatímco svalová vlákna jsou na mitochondrie bohatá.
B) Radiální svaly Okolo chromatoforu leží skupina plochých radiálních svalů. Každý sval se skládá z centrálního shluku mitochondrií, který je obklopený myofilamenty. Myofilamenty se v blízkosti cytoelastického váčku větví do dvou proximálních svazků. Svaly jsou příčně pruhované a jsou elektricky spojeny se sousedními. Mezi sousedními vlákny byly popsány úzké (3 nm) myomuskulární spoje.
31
C) Chromatoforové nervy Propojení nervů se svaly je u olihní známo už přes 90 let. Je nutné upozornit na to, že chobotnice mají toto uspořádání poněkud odlišné. Intracelulární zkoumání uspořádání ovšem znesnadňuje malá velikost jejich chromatoforů. Za pomoci elektronové mikroskopie bylo zjištěno, že je každý radiální sval inervován nejméně jednou nervovou větví (nejčastěji však více), která se obtáčí kolem radiálního svalu. Toto obtáčení je vysvětlováno nutností přizpůsobení dané nervové větve velkým změnám délky svalu při kontrakci. Svaly jsou inervovány po celé své délce. Dále byly v axonech popsány dva typy váčků, elektrony propouštějící a elektrony nepropouštějící (Mirrow, 1972). Tyto váčky mají v průměru od 30 do 50 nm. Zatím není objasněno, zda se mohou oba typy těchto váčků vyskytovat ve stejném axonu. Na jedno svalové vlákno olihně připadá svazek 2 - 4 axonů, které obklopují glie (Reed, 1995). Podél svalového vlákna se nachází řada synapsí, na jedno svalové vlákno připadá 6 - 37 synapsí. Synapse jsou od sebe obvykle vzdáleny 9 µm. Mohou se ale vyskytovat i oblasti, kde je tato vzdálenost až 143 µm nebo kde jsou nepravidelně nahromaděné. Průměrný počet synapsí na jedno nervové vlákno je 22, proto může být na jednotlivých radiálních svalech téměř 100 vzrušivých synapsí. Elektrony propouštějící váčky, mající přibližně 50 nm v průměru, jsou přítomny ve všech synapsích. Obsahují L-glutamát (L-glu), o kterém se předpokládá, že je vzrušivým transmiterem chromatoforů. Imunohistologické barvení chromatoforů pomocí protilátek anti-L-glu při světelné mikroskopii ukáže pozitivní barevnou reakci nervů. V elektronovém mikroskopu lze pozorovat, že je reaktivita omezená pouze na axony. Někdy se v nervovém svazku vyskytuje vlákno, které takové váčky postrádá. Na místo toho obsahuje velké (90 µm v průměru) váčky, které elektrony nepropouštějí. Tyto váčky pravděpodobně obsahují serotonin (5-HT). Barvením protilátkou 5-HT došlo při světelné mikroskopii k pozitivnímu zbarvení nervů chromatoforů. Tyto váčky se nacházejí po celé délce nervu, ale nikdy nejsou nahromaděné v synapsích.
32
D) Gliové buňky Další součástí chromatoforového orgánu jsou gliové buňky, které obalují axony. Skupiny gliových buněk leží pod vnější vrstvičkou svalových vláken a pokrývají vnější povrch axonů.
E) Buňky pochvy chromatoforu Tyto velmi nápadné buňky pokrývají chromatofory a jejich radiální svaly. Někdy se vyskytují ve čtyřech a více vrstvách. Podle některých autorů jsou tyto buňky spojeny, jiní zase vylučují jakékoli jejich propojení.
6.1.2 Chromatoforový systém v pokožce Vertikální řez pokožkou hlavonožců odhalil její neočekávaně spletité uspořádání. Pod sklovitou pokožkou leží chromatofory. Pod nimi se vyskytují vrstvy obsahující další elementy, které se také podílejí na tělní kresbě. Jejich přesné uspořádání je u různých hlavonožců a v různých částech těla odlišné. V pokožce dorzálního pláště Octopus vulgaris jsou nejblíže povrchu černé chromatofory, pod nimi se nacházejí chromatofory červené a hlouběji pod nimi chromatofory žluté. Pod chromatofory se vyskytují iridiofory, které produkují modro-zelenou barvu. Pod iridiofory jsou leukofory, které slouží jako širokopásmové reflektory (Messenger, 2001). Horizontální pohled na tutéž oblast pokožky odhaluje, že tyto jednotlivé elementy nejsou uspořádány náhodně. Iridiofory se vyskytují po celé ploše, ale leukofory jsou nahromaděné centrálně a pokrývají je chromatofory.
6.1.3 Komplementace tělní kresby Důkladná analýza tělní kresby u všech žijících živočichů byla v 70. letech započata Packardem a jeho kolegy u Octopus vulgaris. Tato analýza poskytla velmi užitečný pojmový systém pro pochopení toho, jak je výsledná kresba sestavována. Měli bychom mít na paměti, že se tělní kresba vyvinula ke zmatení zraku predátora. Podle Packardova schématu je tělní kresba hlavonožců založena na několika komponentách a každá komponenta je složena z mnoha jednotek. Každá jednotka je dále kombinací několika prvků: chromatoforu samotného, reflektujících buněk a pokožkových svalů (Packard, 1974). Pro lepší pochopení je daleko výhodnější zabývat
33
se touto hierarchií v opačném směru (od nejjednodušších ke složitějším) počínaje od prvků.
A) Prvky (a) Chromatofory Chromatofory jsou struktury, které vyvolávají žlutou, červenou a hnědou barvu pokožky. U Octopus vulgaris se navíc vyskytují také černé chromatofory. Barvy produkované jednotlivými chromatofory jsou závislé na tom, jak řídce jsou rozptýleny pigmentové granule. Barva celé populace chromatoforů je kromě toho závislá také na podílu různě barevných aktuálně roztažených chromatoforů. Dále závisí také na hodnotě světla, které na ně dopadá, ale také na tom, zda přichází nějaké světlo zespodu (po odrazu od spodních struktur jako jsou svaly a leukofory). Rozšíření černých nebo červených chromatoforů způsobuje ztmavnutí živočicha. Jsou-li tyto chromatofory zcela smrštěné, mohou v místech, kde pokrývají bílé plochy, vytvářet bílé zbarvení. Většina olihní postrádá leukofory a proto celkové smrštění chromatoforů způsobí průhlednost, která může být důležitá pro maskování epipelagických živočichů, kteří žijí v plně prosvětlené hloubce moří (do hloubky až 100m).
(b) Iridiofory Iridiofory obsahují mnohovrstevné sloupce chitinových destiček. Destičky fungují jako interferenční reflektory, ačkoli jsou samy bezbarvé. Iridiofory produkují modré a zelené barvy, které můžeme pozorovat u různých druhů hlavonožců. Například modrý prstenec připomínající duhovku oka u Octopus bimaculatus (obr.14), zelené břicho u Sepia officinalis. Iridiofory jsou běžné také v kůži olihní.
34
Obr.14: Octopus bimaculatus – modrý prstenec připomínající duhovku oka, (Messenger, 2001).
(c) Reflektující buňky Tyto buňky byly popsány pouze u Octopus dofleini (Brocco a Cloney, 1980). Jsou to komplexy nesoucí periferní systém lístkovitých lamel, nazývané reflektosomy, které mají v průměru asi 1,7 µm a obsahují velké množství proteinových destiček. Reflektující buňky leží pod chromatoforovými orgány a předpokládá se, že fungují jako tenkovrstvá interferenční zařízení, která jsou zodpovědná za modro-zelený odraz.
(d) Leukofory Jsou to protáhlé, ploché buňky, přibližně 20 µm dlouhé. Jsou pokryté více než 1000 drobnými, stopkovitými leukosomy. Jsou bezbarvé, ale lomivé. Leukosomy rozptylují světlo a vytvářejí tak křídově bílou barvu, která je viditelná v dopadajícím bílém světle. Ve vysokých koncentracích se vyskytují v různých bílých skvrnách u několika druhů rodu Octopus. U Sepia officinalis vytvářejí leukofory bílé skvrny a pruhy sloužící k signalizaci. Stojí za povšimnutí, že leukofory spolehlivě odrážejí dopadající světlo a že takzvané „bílé“ oblasti vypadají v modrém světle modré v červeném světle červené. To pokožce umožňuje sladit odstín s prostředím.
B) Jednotky Prvky, které jsou popsány výše, nejsou přítomny ve všech částech pokožky, ani nejsou stejnoměrně rozložené v místech, kde se vyskytují. Místo toho jsou spíše 35
organizované do „jednotek“. Poprvé byly tyto jednotky popsány u Octopus vulgaris. U tohoto druhu je celé tělo pokryté kruhovitými skvrnami, které mají v průměru přibližně 1 mm. V celé oblasti skvrny se vyskytují chromatofory a iridiofory, zatímco leukofory se vyskytují pouze v její centrální oblasti (obr.15).
Obr.15: Kruhová chromatická jednotka v pokožce ramene Octopus vulgaris. Různě barevné chromatofory leží nad skupinou leukoforů, které odrážejí bílou barvu. Modrozelené iridiofory se vyskytují po celé ploše této kruhové jednotky, (Froesch a Messenger, 1978).
C) Komponenty Nejviditelnějšími „stavebními bloky“ tělní kresby jsou chromatické komponenty. V případě, že jsou tmavé chromatofory a reflektující elementy odhalené, jsou chromatické komponenty světlé. Pokud jsou tmavé chromatofory roztažené a odraz je tedy minimální, jsou chromatické komponenty tmavé.
D) Tělní kresba Vybrané součásti každého typu komponent se společně kombinují a vytváří finální vzhled jednotlivých jedinců, tedy jejich tělní kresbu. Komponenty různých nebo stejných typů se projevují určitým zbarvením současně, ale mohou se projevovat s odlišnou intenzitou. Díky tomuto odstupňování se objevil názor, že hlavonožci mohou
36
vytvářet nekonečné množství tělních kreseb. Důkladnými studiemi bylo ale prokázáno, že každý druh má pouze několik základních kreseb. U druhu Alloteuthis subulata Cornwell a kol. (1997) rozeznávají pouze tři; u Lolliguncula brevis Dubas a kol. (1986) popsali čtyři nebo pět; u Loligo pealei Hanlon a kol. (1999) popsali 11; u Octopus vulgaris Packard a Sanders (1971) popsali 12; u Sepia officinalis, která má pozoruhodně složité tělní kresby, Hanlon a Messenger (1988) rozeznali 13 typů kreseb. Tělní kresba může být jak dlouhodobá, tak dočasná. Prvně jmenovaná, která může trvat až hodiny, obsahuje kresby projevující se u živočichů žijících na mořské dně, jako je Octopus vulgaris nebo Sepia officinalis, nebo krycí zbarvení sépií pohybujících se ve vodním sloupci. Jejich funkcí je především maskování a jsou primárně užívány jako obranné mechanismy. Dočasné kresby se projevují po dobu několika sekund nebo minut a to obvykle u živočichů, kteří komunikují buď v rámci druhu nebo i s predátory. Dlouhodobé tělní kresby jsou značně proměnlivé, protože se přírodní substráty značně odlišují. Dočasné kresby, které zahrnují výstražné projevy, mají tendenci být spíše stereotypní. Počet a složitost tělních kreseb se mezi hlavonožci značně liší. Velké individuální rozdíly v chromatickém chování jsou dokonce i v rámci jednoho druhu. Mezidruhové rozdíly jsou velmi užitečné v taxonomii, kde pomáhají rozlišovat příbuzné druhy, které vypadají podobně. Druhy žijící v mělkých vodách čistých tropických a subtropických moří a aktivní ve dne mají složitější tělní kresby pro maskování a komunikaci. Z toho důvodu jsou u nich chromatofory menší a hustěji rozložené. Někteří noční hlavonožci studovaní v laboratořích (např. Euprymna scolopes) mají překvapivě bohatý repertoár tělních kreseb a nejspíše je využívají pro signalizaci.
6.1.4 Využití barvoměny Předpokládá se, že chromatofory se vyvinuly, aby vykonávaly dvě funkce: maskovací a komunikační. Klíčovým jevem ve vývoji hlavonožců byla redukce schránky při přechodu od pomalého života na mořském dně k aktivnímu životu v mělkých vodách, kde mohli konkurovat obratlovcům. Ztráta schránky jim pravděpodobně umožnila větší hbitost. Ale na druhou stranu se stali zranitelnějšími.
37
Proto si osvojili důmyslný maskovací mechanismus. Chromatofory se tedy s největší pravděpodobností vyvinuly především pro maskování. Systém nervově řízených chromatoforů je také velmi dobře adaptovaný pro signalizaci. Mnoho hlavonožců mělkých vod je také využívá k vytváření vizuálních signálů, jak mezidruhových (interspecifických), tak vnitrodruhových (intraspecifických).
A) Maskování Tělní vzory využívané pro maskování můžeme rozdělit do čtyř kategorií podle toho, jakým způsobem k maskování dochází. Je nemožné vyjádřit rozsah, složitost a krásu tělních vzorů hlavonožců v jejich životním prostředí bez fotografií.
(a) Celková podobnost s prostředím Chobotnice nebo sépie mohou věrohodně napodobit své prostředí v jasu, barvě, vzoru i struktuře. Odpovídajícího jasu dosáhnou díky chromatoforům. Sladění barvy je umožněno chromatofory, iridiofory a leukofory. Iridiofory mohou produkovat strukturální zelenou, zelenomodrou a modrou barvu. Pokud jsou chromatofory smrštěné, mají leukofory schopnost odrážet dopadající světlo o libovolných vlnových délkách. Při sladění vzorování s prostředím umožňují nervově řízené chromatofory, aby živočich přesně odpovídal rozmanitosti prostředí. Jednotně světlé, tečkované a skvrnité tělní vzorování sépií jim umožňuje opticky ladit s pískem a štěrkem různé hrubosti. Při výběru odpovídajícího tělního vzoru nejsou hlavonožci schopni odhadnout pouze stupeň zrnitosti okolí, ale berou také v úvahu svou vlastní velikost.
(b) Krycí zbarvení Krycí zbarvení je mezi živočichy velmi rozšířené a hlavonožci nejsou v tomto případě výjimkou. Na ventrálním povrchu jsou chromatofory hlavonožců rozmístěny řídce, někdy se zde společně s nimi vyskytují také iridiofory, které zvyšují reflexi. Na dorzálním povrchu jsou chromatofory mnohem početnější a často jsou trvale udržovány v rozšířeném stavu. Je pozoruhodné, že hlavonožci mohou využívat krycí zbarvení v případě, že se stanou dezorientovanými. „Reflex krycího zbarvení“ zajistí, že se chromatofory ventrálního povrchu těla roztáhnou, pokud se živočich převrátí na záda. Půlobrat vyvolá roztažení chromatoforů pouze v horní polovině ventrální strany těla.
38
(c) Rušivé zbarvení V pestrobarevném prostředí volí sépie tzv. rušivý tělní vzor, jehož působením je opticky oddělena část těla od zbytku a tím se rozpadne „celistvost“ jedince. Rušivé zbarvení je mezi živočichy rozšířenou maskovací technikou. Proto není překvapením, že je známa u mnoha hlavonožců. Octopus vulgaris má rušivé zbarvení podobu nápadných frontálních bílých skvrn. Sépie ukazují pravidelně příčné tmavé proužky podél pláště, které učiní živočicha méně viditelným, přinejmenším pro lidského pozorovatele. Pestrobarevné chobotnice, jako je například Octopus zonatus, mají výrazné černé a bílé pruhy a skvrny (obr.16).
Obr.16: Octopus zonatus – rušivé zbarvení, (Hanlon, 1988).
(d) Klamná podobnost Tento termín byl zaveden pro podobnost živočichů z neživými objekty prostředí. Malé sépie často vypadají jako kameny (obr.17) a Sepioteuthis sepioidea se může alespoň pro oko člověka podobat plovoucí chaluze.
Všechny čtyři kategorie maskovacích technik jsou velmi závislé na chromatoforech, ale mělo by být zdůrazněno, že mohou působit ve spojení s iridiofory a leukofory. Ačkoli mnoho živočichů využívá vzorování pro maskování, je to téměř vždy pevný vzor. Hlavonožci se odlišují tím, že jim chromatofory umožňují zvolit si jeden z několika tělních vzorů v konkrétním prostředí. 39
Obr.17: Mladá Sepia officinalis mění tělní vzory podle prostředí, ve kterém se nachází, (Hanlon a Messenger, 1988).
B) Komunikace Hlavonožci mohou chromatofory využívat také při komunikaci s jinými živočichy. Konečný vzhled komunikujících hlavonožců je definován jako projev, který zahrnuje množství signálů. Nejzřetelnějšími signály jsou právě chromatické. Vztah mezi signály a projevy je tedy podobný vztahu mezi komponentami a tělním vzorem. Některé projevy, jako je například výhružný projev, zahrnují pouze několik signálů. Jiné, zejména některé bojovné projevy, obsahují velké množství signálů. Projevy nejsou závislé pouze na chromatoforech, ale u některých signálů mohou také významně přispívat iridiofory a leukofory. Například refrakce určitých skupin chromatoforů maximalizuje odrazivost od leukoforů, čímž se vytvoří nápadné bílé skvrny nebo pruhy.
(a) Interspecifické projevy Hlavonožci využívají různá zbarvení v případě, že se setkají s kořistí nebo predátory. Sépie stojící před garnátem může využít tzv. projev prchavého oblaku (tmavé vlny pohybující se po těle od konce pláště ke koncům ramen) nebo signál s tmavými rameny (první a/nebo druhý pár ramen mávající z jedné strany na druhou) (Messenger, 2001). 40
To má pravděpodobně signalizovat něco jako „stůj a sleduj tohle“ a tím odvádět pozornost od chapadel. Projev prchavého oblaku předvádí někdy i běžná chobotnice krabovi a pravděpodobně nese zprávu „pohni se“, což by kraba činilo zranitelnějším. Běžné jsou také projevy směřující k potenciálním predátorům. Jeden konkrétní projev je pozoruhodně podobný u všech tří hlavních skupin hlavonožců. Je to projev výhružný nebo také hrůzu nahánějící. Tento projev zahrnuje roztažení a zploštění živočicha, centrální zesvětlení a periferní ztmavnutí vytvářející tmavé kruhy kolem očí a rozšiřující se zornice. U sépií a olihní se vytváří také tmavá skvrna na plášti. Výsledný vzhled zdánlivě zvětšuje jejich velikost, což je běžné u mnoha odlišných výstražných projevů vyskytujících se u hlavonožců.
(b) Intraspecifické projevy Pravděpodobně nejznámějším intraspecifickým projevem je projev zvaný „intenzivní zebra“ (obr.18), který se vyskytuje u evropské sépie Sepia officinalis (Messenger, 2001). Sexuálně dospělí samci ukazují tento projev samicím, nebo jiným samcům v průběhu bojového setkání. Tento projev má mnoho rysů, které se vyskytují i u jiných projevů (intrai interspecifických) hlavonožců. Je vysoce viditelný, obsahuje řadu pruhů (u jiných hlavonožců se mohou vyskytovat mříže, kroužky nebo čáry). Dále zahrnuje kruhy (bílé skvrny na ramenech a tmavý prstenec kolem oka). Postoj ramen je dramaticky přehnaný a celé tělo je jako vysílač orientované k přijímači. Funkce projevu „intenzivní zebra“ byla objevena u samiček sépií teprve nedávno. I u nich se zdá, že je využíván k bojové signalizaci. Tento projev se také častěji vyskytuje u sépií držených v laboratorních nádržích, může tedy indikovat i stres.
41
Obr.18: Sepia officinalis: dospělý samec s tělním vzorem „intenzivní zebra“, (Hanlon a Messenger, 1988).
42
6.2 Ryby Nejpestřeji zbarvené bývají ryby tropických moří, zvláště z korálových oblastí, zatímco ryby vyskytující se u nás jsou zbarveny daleko skromněji. Ryby mění svoje zbarvení v odpověď na jejich prostředí, ale také během tření. Nositelem zbarvení jsou pigmentové buňky (chromatofory), které se vyskytují ve škáře, ale také na šupinách, v oku, v peritoneu, v okolí střev, ledvin atd. Chromatofory v cytoplazmě obsahují pigmentová zrna. Podle povahy pigmentových zrn jsou u ryb rozeznávány následující typy chromatoforů: melanofory, xantofory, erytrofory, leukofory a iridiofory. U některých tropických ryb se vyskytují také cyanofory. Většina z chromatoforů má schopnost buněčné motility, která jim umožňuje měnit zbarvení a tělní vzor. Různé kombinace těchto šesti typů chromatoforů a jejich různý poměr umožňuje rybám rozmanité zbarvení. Díky tomu se mohou adaptovat na podmínky okolního prostředí. Nervová zakončení umožňující regulaci intenzity zbarvení mají pouze melanofory (Spurný, 2000). Na základě nervového podnětu se zrna melaninu stáhnou do centra buňky nebo se rozprostřou po celé cytoplazmě. Změny zbarvení ryb souvisejí s fyziologickým stavem ryby, probíhají pomocí přemisťování pigmentových zrn uvnitř chromatoforů a jsou velmi rychlé. Přizpůsobení se prostředí je taky rychlé a děje se na základě zrakových vjemů. V době tření se na regulaci zbarvení výrazně podílejí pohlavní hormony, které u samců vyvolávají pestřejší zbarvení. Zbarvení ryb ovlivňují také fyzikální faktory prostředí. Při vyšších teplotách vody je zbarvení intenzivnější, při nízké koncentraci rozpuštěného kyslíku provázené dušením ryby zblednou. Změny zbarvení nastávají také v důsledku patologických stavů (např. ztmavnutí při zánětu ledvin) a při oslepnutí ryby. U našich ryb je hřbet vždy zbarven tmavě a břicho světle, takže ryba barevně splyne z tmavým dnem nebo světlou hladinou. Ve škáře převládají melanofory obsahující melanin. Erytrofory jsou v kůži našich ryb zastoupeny málo, častěji se vyskytují u tropických ryb. Nervová centra pro pigmentaci se nacházejí v prodloužené míše a mezimozku.
6.2.1 Chromatofory Melanofory kostnatých ryb jsou dendritické buňky. Nejčastěji se vyskytují ve škáře, ale v menším množství se nacházejí také v epidermis. Na rozdíl od savců, kde jsou 43
melanosomy přemisťovány do epidermálních buněk, zůstávají melanosomy ryb uvnitř melanoforů. Reakcí na různé signály se mohou melanosomy shlukovat v centru buňky nebo rozptylovat po cytoplazmě. U velkého množství ryb jsou melanofory hlavní součástí fyziologické barvoměny. Dalšími typy dendritických chromatoforů ryb jsou xantofory, erytrofory, cyanofory a leukofory. Pigmentové organely vyskytující se uvnitř těchto buněk se po řadě nazývají xantosomy, erytrosomy, cyanosomy a leukosomy. Souhrnně jsou nazývány jako chromatosomy. S výjimkou světlo-rozptylujících leukosomů, absorbují chromatosomy světlo. Ačkoli můžeme u ryb běžně pozorovat bělavé nebo stříbřité části kůže, jsou iridiofory spíše neobvyklými chromatofory, protože obvykle nejsou dendritické a neobsahují barevné organely. V jejich cytoplazmě se vyskytují transparentní tenké krystalky guaninu. Tyto krystalky jsou nazývány jako reflektující destičky. Iridiofory jsou zodpovědné za stříbřitý třpyt a bělost na bocích a bříšku. Tyto iridiofory jsou nepohyblivé buňky, které se fyziologické barvoměny účastní nepřímo. U některých druhů kostnatých ryb se naopak mohou vyskytovat iridiofory, u kterých dochází ke změnám barev pohybem reflektujících destiček. Tyto velmi tenké destičky jsou uspořádány do kupek, jejichž vzdálenost je jednotná. Změny vzdálenosti mezi destičkami mají za následek změny ve vlastnostech odrážejících světlo. Pokud se jejich vzdálenost zvětší, odrážejí iridiofory světlo větších vlnových délek. Je-li rozestup mezi destičkami menší, je odráženo světlo kratších vlnových délek. Dříve jmenovaná reakce je označována jako „LR-odpověď“, což je zkratka „Longer-wavelength light-Reflecting response“. Druhá reakce má označení „SR-odpověď“, zkratka „Shorter-wavelength light-Reflecting response“ (Fujii, 2000). Tyto dendritické iridiofory s pohybovou aktivitou jsou popsány například u hlaváčovité ryby druhu Odontobutis obscura obscura (obr.19) (Iga a Matsuno, 1986). Stejně jako u iridioforů mnoha obojživelníků jsou reflektující destičky shromažďovány v oblasti jádra nebo rozptylovány do dendritických výběžků v reakci na nervové nebo hormonální stimuly. Pokud jsou destičky nahromaděné v centru, zdá se být pokožka namodralé barvy. Tytéž buňky se zdají být nažloutlé, pokud jsou destičky rozptýleny (Fujii a kol., 1991). U ryb se pod epidermis vyskytuje vrstva kolagenních fibril. Pod touto kompaktní vrstvou jsou obvykle přítomny dermální chromatofory, které tedy nejsou v přímém kontaktu se spodní částí epidermis. Paralelní kolagenní fibrily vytvářejí tenké plošky. 44
Fibrily střídajících se plošek jsou uspořádány přibližně kolmo na fibrily sousedních plošek. Takto vytvořená struktura pravděpodobně posiluje integument a chrání křehké chromatofory.
Obr.19: Odontobutis obscura obscura – V horní části obrázku jedinec adaptovaný k tmavému pozadí. Ve spodní části adaptace k světlému pozadí, (URL 8).
6.2.2 Faktory prostředí, které přímo ovlivňují chromatofory ryb Chromatofory ovlivňuje několik fyzikálních faktorů prostředí, někdy také faktory chemické. Většina takových podnětů je vnímána smyslovými orgány a je přenášena do centrální nervové soustavy, kde jsou tyto informace zpracovány. Po té vzniká
45
příslušná chromatická reakce živočichů. Některé faktory však mohou chromatofory ovlivňovat přímo.
(a) Přímý vliv světla na chromatofory Fyziologická barvoměna je obvykle dělena na dva typy (Parker, 1948). Jedním je takzvaná „primární barevná odezva“, při které reagují chromatofory přímo na světlo. Druhým typem je „sekundární barevná odezva“, při které jsou chromatofory řízeny nervovým a/nebo endokrinním systémem. Primární odezva je pozorovatelná především během embryonálního a larválního období, dokud ještě nejsou chromatofory pod kontrolou nervového a/nebo endokrinního systému. Chromatofory reagují přímo na světlo i v případě, že jsou denervovány, nebo pokud je jedinec oslepený.
(b) Jiné fyzikální faktory Jiné fyzikální faktory prostředí než světlo ovlivňují chromatofory buď nepřímo nebo přímo. Ovšem díky jejich relativně nízkému významu jsou málokdy zkoumány a proto jsou o nich nedostatečné informace. Některé z nich jsou pro ryby dokonce hrozbou. Například zvláště u ryb mělkých vod mohou UV paprsky poškodit pigmentové buňky a narušit aktivitu nervových vláken, které řídí buněčné reakce. Nízká teplota běžně redukuje buněčnou motilitu. Osmolarita a pH vody, ve které ryby přebývají, mohou být také důležitými fyzikálními faktory.
6.2.3 Hormonální regulace chromatoforů ryb Informace získané okem a jinými smyslovými orgány se přes optický nerv dostávají do centrální nervové soustavy, kde jsou integrovány v adekvátní chromatické reakce, které jsou zprostředkovány endokrinními, parakrinními a nervovými cestami. Mezi hormony podílející se na řízení barvoměny patří melanofory stimulující hormon, adrenokortikotropní hormon, melanin shlukující hormon a melatonin. Nejsou ovšem jedinými hormony, které se na regulaci podílejí.
(a) Melanofory stimulující hormon (MSH) Tento hormon je produkovaný středním lalokem hypofýzy. MSH způsobuje rychlou disperzi melanosomů v melanoforech při fyziologické barvoměně. Také má svou roli při morfologické barvoměně, kdy stimuluje proliferaci a melanizaci melanoforů. MSH
46
je často označován taky jako melanotropin nebo intermedin. Jako melanotropiny bývají taky obecně označovány peptidické hormony, které ovlivňují pigmentaci (Fujii, 2000). Existují dva typy MSH. Prvním typem je α-MSH (acetyl tridekapeptid amid). Předpokládá se, že má hlavní roli při regulaci chromatoforů nižších obratlovců včetně ryb a taky chromatocytů u teplokrevných živočichů. Druhým typem je β-MSH, o kterém se zatím neví, zda nějakým způsobem barvoměnu ovlivňuje. MSH účinně rozptyluje granule pigmentu v melanoforech. Jeho účinek ale není omezen pouze na melanofory. Způsobuje také disperzi xantosomů a erytrosomů v pestře zbarvených chromatoforech kostnatých ryb. Iridiofory tetry neonové (Cheirodon innesi) reagují na α-MSH zvětšením vzdálenosti mezi reflektujícími destičkami, tedy SR odpověď. U sapínka modrozeleného (Chrysiptra cyanea) iridiofory na α-MSH vůbec nereagují (Kasukawa a kol, 1987). Účinek MSH je zprostředkován specifickými receptory. MSH receptory vyžadují v melanoforech pro svou aktivaci extracelulární Ca2+ ionty. Tyto ionty jsou pravděpodobně potřebné pro vytvoření komplexu mezi molekulou MSH a regulační podjednotkou receptoru.
(b) Adrenokortikotropní hormon (ACTH) ACTH je hormon, který způsobuje disperzi melanosomů. Molekula ACTH obsahuje aminokyselinové sekvence, které se vyskytují i u MSH. Způsobuje také disperzi chromatosomů v xantoforech a erytroforech.
(c) Melanin shlukující hormon (MCH) Tento hormon má opačný účinek než MSH. Je produkován hypotalamem. Z hypotalamu je přemisťován do zadního laloku hypofýzy, odkud je vylučován. Melanofory většiny kostnatých ryb reagují na MCH agregací melanosomů, jak již naznačuje jeho název. Také světlo absorbující chromatofory jiných typů než melanofory reagují na MCH stejným způsobem – agregací chromatosomů. Je nutné upozornit na to, že tento účinek byl pozorován pouze u kostnatých ryb. U obojživelníků a plazů reagovaly melanofory na tento hormon disperzí melanosomů. Světlo odrážející organely leukoforů medaky se vlivem MCH rozptýlí, ale je potřeba většího množství hormonu. Tato reakce vyžaduje na rozdíl od agregace pigmentu extracelulární Ca2+ (Oshima a kol, 1986).
47
Castrucci a kol. studovali účinek MCH na melanofory brazilského bažinového úhoře (Synbranchus marmoratus) a zjistili, že při nízkých koncentracích způsobuje agregaci melanosomů, zatímco při vysokých koncentracích disperzi (Castrucci a kol., 1988). Z tohoto důvodu se někteří vědci domnívají, že existují dva typy MCH receptorů. První typ MCH receptoru by mohl zprostředkovávat agregaci pigmentu při fyziologických koncentracích MCH. Zatímco druhý typ MCH receptoru by mohl zprostředkovávat disperzi pigmentu ovšem pouze při vysokých koncentracích MCH a za přítomnosti extracelulárních Ca2+ iontů. Druhý typ MCH receptoru pravděpodobně vyžaduje delší reakční čas (Fujii, 2000).
(d) Melatonin (MT) Melatonin je produkován epifýzou. MT způsobuje agregaci melanosomů v melanoforech mnoha druhů ryb. Působí jak na dermální melanofory, tak na epidermální. U zářivě zbarvených chromatoforů působí stejným způsobem, tedy agregací chromatosomů. Ve velmi vysoké koncentraci je schopný indukovat LR odezvu iridioforů.
6.2.4 Nervová regulace chromatoforů ryb Pomalé chromatické reakce živočichů jsou většinou řízeny endokrinní soustavou, zatímco rychlé jsou převážně řízeny nervovým systémem. Například chromatické změny vznikající jako reakce na obraz získaný okem vyžadují rychlé reakce. Informace je přenesena do centrální nervové soustavy, okamžitě zpracována a odeslána k chromatoforům přes přímá nervová zakončení. V tmavém prostředí přijímá ventrální sítnice značné množství světla ve srovnání s dorzální, protože se světlo od tmavého prostředí odráží v malém množství. Dojde tedy k aktivaci neuronů ventrální sítnice, což má za následek tmavnutí ryby. Ve světlém prostředí jsou stimulovány oba typy (ventrální i dorzální), což vede k blednutí ryby (Fujii, 2000).
48
6.3 Obojživelníci Změny barev u obojživelníků nejsou tak nápadné jako například u chameleonů z třídy plazů nebo platýzů z třídy ryby. I přesto jsou ale tyto změny snadno rozeznatelné a platí u nich obvyklé pravidlo, že v osvětleném bílém prostředí jsou jedinci světlí, zatímco v tmavém prostředí jsou zbarveni tmavě. Barvoměna obojživelníků není ovlivněna pouze světlem, ale také teplotou a vlhkostí. Teplé a suché prostředí způsobuje kontrakce pigmentových organel a vyvolává tedy světlejší zbarvení. Naopak v chladných a vlhkých podmínkách se pigment rozšiřuje a živočich tmavne. Tmavě zbarvení jedinci lépe absorbují více tepla, pokud jsou vystavěni slunci. Z tohoto důvodu využívají někteří obojživelníci změny zbarvení k termoregulaci. Rychlé změny barvy, probíhající pomocí mobilizace organel nesoucích pigment, patří k případům fyziologické barvoměny. Její rychlost však nedosahuje úrovně některých plazů nebo hlavonožců. Důvodem je skutečnost, že systém změny barvy u obojživelníků je řízen pouze hormonálně, nikoli nervově nebo v kombinaci, jako u jiných skupin živočichů. Na druhé straně morfologická barvoměna je ještě dlouhodobější proces, zahrnující zvětšení nebo zmenšení počtu určitých pigmentů. Její trvání se počítá ve dnech až měsících (Parker, 1948). Barvoměna obojživelníků je řízena dvěma typy hormonů. Prvním z nich je intermedin, což je hormon ze středního laloku hypofýzy. Častěji je tento hormon nazýván melanocyty stimulující hormon (MSH). MSH způsobuje disperzi pigmentu uvnitř melanoforů, čímž způsobuje tmavnutí jedince. Druhým hormonem je adrenalin (hormon dřeně nadledvinek), který způsobuje koncentraci pigmentu ve střední části melanoforů a tím dochází k blednutí jedince. V některých případech není zbarvení určeno skládáním efektu jednotlivých barviv v chromatoforech, ale nahromaděním produktů metabolického rozkladu červených krvinek, především biliverdinu v kůži. Biliverdin vytváří zelené zbarvení například u těchto druhů žab: Hyla fuentei, H. punctata nebo H. granosa.
49
6.3.1 Dermální chromatoforová jednotka obojživelníků Rychlá barvoměna obojživelníků je zprostředkována třemi typy chromatoforů – xantofory, iridiofory a melanofory. Tyto pigmentové buňky společně tvoří strukturu, která je nazývána dermální chromatoforová jednotka. V této struktuře se xantofory nacházejí hned pod bazální membránou epidermis. Pod vrstvou xantoforů se vyskytuje vrstva iridioforů, které obsahují organely odrážející světlo. Pod každým iridioforem je umístěn melanofor, jehož výběžky vyplňují prostor mezi iridiofory. Z výběžků dále vyčnívají prstovité útvary, které mají své pevné místo mezi iridiofory a xantofory. Pokud u jedince dochází k tmavnutí, pohybují se melanosomy z těla melanoforu do prstovitých výběžků a tím dochází k zatemňování iridioforů. K rychlému blednutí dochází přesunem melanosomů z prstovitých výběžků zpět do těla melanoforu. Dermální melanofory jsou obecně považovány za struktury zodpovědné za rychlou barvoměnu obojživelníků, jelikož jsou velmi citlivé na intermedin, který je hlavním chromatofory řídícím hormonem. Vezme-li se však v úvahu přesná lokalizace dermálních chromatoforů, vyskytnou se vážné pochybnosti o tom, zda jsou tyto melanofory samotné hlavními pigmentovými elementy zapojenými do rychlé barvoměny. Tyto melanofory se totiž vyskytují hluboko ve škáře a jsou překryté vrstvou xantoforů a iridioforů. Pro jejich úplný projev musí být nejspíše oslaben maskovací účinek nad nimi ležících chromatoforů. Dospělo se k závěru, že všechny tři typy chromatoforů společně tvoří jednotný útvar zvaný dermální chromatoforová jednotka. Xantofory a iridiofory jsou v tomto seskupení v těsném kontaktu a tvoří struktury zvané xantoleukosomy (Bagnara, 1966). Na povrchu xantoforů končí dendrity melanoforů. Vliv intermedinu, specifická morfologie a lokalizace dermálních chromatoforů jsou pravděpodobně hlavními faktory zodpovědnými za barevný odstín pokožky.
6.3.2 Struktura chromatoforové jednotky Dermální chromatoforová jednotka (obr.20) je významným příkladem funkčního spojení několika morfologicky rozdílných buněk – xantorofů, iridioforů a melanoforů. Xantofory jsou zřejmě nejméně dynamické ze všech tří typů. Obsahují žlutý pigment a pravděpodobně taky karotenoidy a pteridin (Bagnara, 1966). Hlavní funkcí iridioforů je odraz světla, což je umožněno množstvím destiček obsahujících purin. Zatímco jsou xantofory a iridiofory zodpovědné za světlé zbarvení, hrají melanofory důležitou roli
50
při tmavnutí jedince. V cytoplazmě obsahují struktury naplněné melaninem melanosomy. Elektronovou mikroskopií bylo zjištěno, že jsou xantofory ve škáře obojživelníků umístěny hned pod bazální membránou a že s ní jsou v těsném kontaktu (obr.21). Na příčném řezu mají xantofory zploštělý tvar a jejich jádro je obvykle umístěno ve středu buňky. Nejnápadnější pigmentovou organelou xantoforů jsou pterinosomy Tyto struktury obsahující pteridin se nacházejí po celé cytoplazmě. Mezi nimi jsou rozptýleny
kapénky,
které
pravděpodobně
představují
karotenoidní
doplněk
xantoforových pigmentů.
Obr. 20: Strukturální interpretace dermální chromatoforové jednotky obojživelníků při adaptaci na tmavé prostředí, (Bagnara a kol, 1968).
Těsně pod xantofory se nacházejí iridiofory, které mají často tvar obráceného kužele. Obsahují kulatá jádra, která se obvykle vyskytují ve spodní části buňky. Pigmentovými organelami iridioforů jsou reflektující destičky, které jsou obvykle uspořádány do sloupečků (Setoguti, 1967). U druhů s velkým počtem xantoforů, např. rosnička karolínská (Hyla cinerea), se obvykle nad každým iridioforem nachází jeden xantofor (Bagnara a kol., 1968). Nejhlouběji uloženými dermálními chromatofory jsou melanofory, které se nacházejí pod iridiofory a jsou v těsném kontaktu se spodním povrchem každého iridioforu. Avšak u rosničky kaňonové (Hyla arenicolor) jsou 51
melanofory situovány poněkud hlouběji a často tento kontakt ztrácí. U skokana levhartího (Rana pipiens) může melanofory a iridiofory od sebe oddělovat dokonce relativně velký prostor. Výběžky melanoforů zaujímají prostor mezi iridiofory a jejich terminální prstovité útvary leží mezi iridiofory a xantofory. Tyto prstovité útvary je možno vidět na obrázku 22, kde jsou vyplněny melanosomy. Významným rysem dermální chromatoforové jednotky je schopnost melanoforů měnit jasnost barev, které vznikají díky iridioforům. Migrací melanosomů do prstovitých výběžků melanoforů mezi xantofory a iridiofory dojde k zatemnění iridioforů a tím iridiofory dočasně ztrácí schopnost odrážet světlo. Prstovité útvary melanoforů jsou zřejmě fixní strukturou, jelikož nebyl nikdy pozorován jejich skutečný pohyb do nebo z oblasti mezi iridiofory a xantofory. Místo toho se zdá, že tyto struktury zůstávají statické a že melanosomy aktivně migrují do nebo z těchto prstovitých útvarů. U živočichů adaptovaných na světlé prostředí jsou melanosomy koncetrovány ve středu melanoforu a oblast mezi xantofory a iriofory obsahuje množství membrán (obr.23). Tyto membrány pravděpodobně představují zkolabované prstovité útvary melanoforů, které postrádají melanosomy. Naproti tomu jsou tyto prstovité útvary u živočichů ošetřených intermedinem rozšířené množstvím melanosomů (obr.24). Buněčné membrány prstovitých výběžků a iridioforů jsou v těsném kontaktu a v místech jejich doteku jsou membrány zvrásněné. Mezi xantofory a prstovitými útvary však žádný takový kontakt neexistuje, ačkoli jsou jejich membrány v těsném doteku. Membrány jsou v těchto místech hladké a bez jakéhokoli náznaku záhybu . Povaha zapojení chromatoforů v dermální chromatoforové jednotce je mezi jednotlivými druhy poněkud variabilní. Například u rosničky H. cinerea je na každém iridioforu méně prstovitých útvarů než u rosničky H. arenicolor, u které je často k vidění až 25 prstovitých útvarů na jeden iridiofor. Jsou značně tenčí než u H. cinerea, ale síťovitý efekt téměř kompletně zatemňující horní povrch iridioforů je stejný. Množství iridioforů připadajících na jeden melanofor je také variabilní. V dorzální pokožce H. dachnicolor připadá na každý iridiofor jeden melanofor. Často jsou ale na jednotlivých iridioforech prstovité výběžky několika melanoforů. Například u H. arenicolor nebo H. cinerea připadá na jeden melanofor asi 10-15 iridioforů. U R. pipiens je tento počet dokonce ještě vyšší (Bagnara a kol., 1968).
52
Obr.21: Dermální chromatoforová jednotka obojživelníků adaptovaná na světlé pozadí. Melanofory - M, iridiofory – I, xantofory – X. Melanosomy (MS) jsou umístěny ve výběžcích po stranách iridioforů, ale prstovité útvary (F) jsou prázdné. B – bazální membrána, RP – reflektující destičky, CV – karotenoidní váčky, C – kolagenní vrstvy, PT – pterinosomy. Zvětšení: 9,700x, (Bagnara a kol., 1968).
53
Obr.22: Dermální chromatoforová jednotka obojživelníků po ošetření intermedinem. Melanosomy nyní vyplňují prstovité útvary nad iridiofory. Zvětšení: 7,300x, (Bagnara a kol, 1968).
54
Intermedin neovlivňuje jenom pohyb melanosomů do nebo z prstovitých výběžků. Ovlivňuje také iridiofory. Při absenci intermedinu jsou iridiofory dendritické a představují tedy maximální povrch sloužící k odrazu světla (Hadley, 1966). V tomto případě jsou melanosomy koncentrovány ve středu melanoforu, tedy pod iridioforem (obr.25a). U intermedinem ošetřených živočichů pokožka tmavne a to nejenom díky tomu, že prstovité útvary melanoforů maskují iridiofory, ale také díky tomu, že se iridiofory stávají vlivem intermedinu tečkované (obr.25b). To má za následek menší povrch umožňující odraz světla.
Obr.23: Příčný řez oblastí mezi xantoforem a iridioforem v pokožce rosničky H. cinerea. Množství membrán (šipka) představuje zkolabované prstovité útvary melanoforů. Zvětšení: 23,500x, (Bagnara a kol., 1968).
55
Obr.24: Stejné jako u obr.4 s výjimkou toho, že byla kůže žáby ošetřena intermedinem. Prstovité útvary mezi xantofory a iridiofory jsou vyplněny melanosomy. Zvětšení: 23,500x, (Bagnara a kol., 1968).
Obr.25: A) Pokožka rosničky H. arenicolor při absenci intermedinu. Iridiofory jsou roztažené a na okraji vroubkované. Žluté body mezi iridiofory jsou xantofory ve smrštěném stavu. Černé kroužky představují otvory pokožkových žláz. B) totéž, ale za přítomnosti intermedinu. Iridiofory jsou smrštěné, xantofory roztažené a nad iridiofory jsou vidět prstovité výběžky melanoforů. Zvětšení: 520x, (Bagnara a kol., 1968). 56
6.4 Plazi Změny barev mohou být u plazů jednoduché až velmi složité. Nejjednodušší změny barev mohou být pozorovány například u ropušníka Phrynosoma blainvillii, který má na hřbetě zřetelnou sérii 5 zubatých tmavých příčných pruhů. Podobné pruhy se vyskytují také na jeho krátkém ocase. Tyto pruhy jsou stálé a vždy kontrastují s barvou pozadí, která se vyskytuje na trupu, hlavě a nohách. Může docházet k její změně v závislosti na prostředí. Pokud je prostředí světlé, je barva pozadí velmi světlá a pruhy jsou tmavé. Je-li prostředí, ve kterém se jedinec vyskytuje, tmavé, dochází k tmavnutí pozadí, ale nikdy neztmavne tolik, aby přestaly být zřetelné příčné pruhy (Parker, 1948). Toto tmavnutí a blednutí pozadí je způsobeno koncentrací a disperzí pigmentu v melanoforech. Komplikovanější typ barvoměny se vyskytuje u rodu Anolis, obzvláště u anolise rudokrkého (Anolis carolinensis). Barvy tohoto druhu ještěrky se pohybují od tmavě hnědé ke světle zelené, včetně odstínů zahrnujících světle hnědou, žlutou, žlutavě zelenou a smaragdově zelenou. Pravděpodobně nejkomplikovanější systém barev je u chameleonů. Tento ještěr dokáže bez problémů vystřídat obdivuhodnou škálu barev od žluté přes zelenou až po modrou. Existuje několik důvodů, proč chameleoni mění barvu. Jedním z nich je potřeba maskovat se, jelikož jsou v porovnání s ostatními ještěry poměrně pomalí. Dále zbarvení chameleonů ovlivňuje jejich „nálada“. Při špatné fyzické kondici jedince barva zbledne a při podráždění dochází k zvýraznění barev. Také pohlavní život ovlivňuje zbarvení chameleonů. Samci mění barvu při námluvách samic a samice k vyjádření březosti. U plazů se také vyskytují změny barev v závislostí na denních rytmech. Tyto změny je možné pozorovat u ropušníka trnohlavého (Phrynosoma cornutum). V noci je jeho zabarvení světlé a brzy ráno začíná tmavnout, ale během poledne je zase světlé. Jakmile se blíží večer, opět tmavne, ale nakonec zase dochází k blednutí charakteristické pro noc. Pigment je tedy v melanoforech koncentrován v noci a v poledne. Zatímco ráno a odpoledne je pigment rozptýlený.
57
6.4.1 Dermální chromatofory plazů Ve škáře plazů byly identifikovány čtyři typy pigmentových buněk (chromatoforů): xantofory, erytrofory, iridiofory a melanofory. Jedná se o vertikální kombinaci těchto pigmentových buněk, ve které se v nejhořejší vrstvě nachází xantofory nebo erytrofory, v prostřední vrstvě iridiofory a v nejspodnější (bazální) vrstvě melanofory. Xantofory a erytrofory jsou pigmentové buňky, které pohlcují světlo a mají žluté až červené zbarvení. Toto zbarvení je závislé na specifických vlnových délkách pohlcovaných soustavami pterinosomů, které obsahují pteridin, a karotenoidních granulí uvnitř buněk. Iridiofory jsou pigmentové buňky, které dobře odráží světlo, protože obsahují množství reflektujících destiček. Tyto destičky jsou tvořeny krystalky purinů a pteridinů. Velikost, povrch, orientace, počet, uspořádání reflektujících destiček a vzdálenost mezi nimi určuje, jakou barvu iridiofory vyprodukují. Melanofory jsou pigmentové buňky absorbující světlo. Jsou hnědě nebo černě zbarvené a pohlcují proto nejvíce světla. Prostorové uspořádání a architektonická kombinace těchto typů pigmentových buněk může vytvářet množství různých zbarvení pokožky.
6.4.2 Ultrastruktura dermálních chromatoforů plazů s nápadně zbarveným tělem (Scincidae: Plestiodon latiscutatus) U jedinců rodu Plestiodon, kteří mají na těle výrazné pruhy a modré zbarvení ocasu, se v kůži nachází epidermální melanofory a tři typy dermálních chromatoforů: xantofory, iridiofory a melanofory. Tyto chromatofory jsou uspořádány stejným způsobem jako u ostatních plazů. Uspořádání chromatoforů však není neměnné a jeho změny způsobují různé zbarvení pokožky.
Xantofory tohoto druhu jsou ve své ultrastruktuře podobné xantoforů popsaným u jiných ektotermních obratlovců. Obsahují pterinosomy, které mají v průměru 0,2 µm (Kuriyama a kol., 2006). Tyto buňky je možné pozorovat v kůži žlutavě-bílých, hnědých a zelených oblastí trupu. Iridiofory se nachází ve žlutavě-bílé, hnědé, zelené a modré kůži trupu, ale ne v černě zbarvené kůži trupu. Povrch iridioforů je dendritický. Můžeme u nich rozlišit centrální buněčné tělo s průměrem 10 µm a vnější dendrity. Při pozorování kůže mohou
58
být velmi snadno rozpoznány, neboť obsahují velké množství reflektujících destiček, které jsou orientovány horizontálně. Při pozorování kůže z různých částí trupu a ocasu bylo zjištěno, že se reflektující destičky v jednotlivých oblastech liší ve své šířce (obr.26). Iridiofory s tenčími destičkami se vyskytují pouze v kůži ocasu, zatímco iridiofory se silnějšími destičkami v kůži trupu. Průměrná tloušťka reflexních destiček ve žlutavě bílé kůži trupu je přibližně 66,6 nm a v hnědé kůži trupu přibližně 87,7 nm. V kůži modře zbarveného ocasu se nacházejí iridiofory s mnohem tenčími destičkami, které mají průměrnou tloušťku 18,0 nm (Kuriyama a kol., 2006). Průměrná tloušťka cytoplazmy mezi destičkami je asi 92,6 nm u žlutavě-bílé kůže trupu, 89,2 nm u hnědé kůže trupu a 98,7 nm u modré kůže ocasu.
Obr.26: A) Iridiofory v žlutavě-bíle zbarvené pokožce. B) Iridiofory v modře zbarvené pokožce. C – destičky s krystaly; H – destičky bez krystalů, (Kuriyama a kol., 2006).
Epidermální melanofory je možno rozpoznat pouze pomocí transmisní elektronové mikroskopie (obr.27). Jsou umístěny v dělivé vrstvě epidermis. Každý epidermální melanofor má ve svém středu jádro a obsahuje oválná granula s vysokou elektronovou hustotou, která mají v průměru 0,1-0,3 µm. Dermální melanofory lze pozorovat v kůži všech pěti barev (žlutavě-bílé, zelené, modré, hnědé a černé). Dermální melanofory jsou zřetelně viditelné i při světelné mikroskopii. Jejich povrch je dendritický stejně jako u iridioforů. Melanosomy dermálních melanoforů mají v průměru 0,5-0,7 µm, jsou tedy nepatrně větší než melanosomy epidermálních melanoforů. Dermální chromatofory vždy vytváří nejspodnější vrstvu chromatoforů.
59
Obr.27: Epidermální (EM) a dermální melanofory (DM) v černě zbarvené pokožce. mel – melanosomy, (Kuriyama a kol., 2006).
Různé typy vertikálních kombinací v závislosti na zbarvení kůže Dermální vrstvy pěti různě zbarvených kožních tkání mají různé uspořádání chromatoforů. Vertikální kombinace dermálních chromatoforů je obecně taková, že se v nejhořejší vrstvě nacházejí xantofory, ve střední vrstvě iridiofory a bazální vrstvu tvoří melanofory. Změny tohoto vertikálního uspořádání způsobují různá zbarvení pokožky. Epidermální chromatofory P. latiscutatus nemají žádnou morfologickou vlastnost, která by umožňovala rychlou změnu barvy (Kuriyama a kol., 2006). Žlutavě-bíle a hnědě zbarvená kůže má stejné vertikální uspořádání xantoforů, iridioforů a melanoforů (obr.28, 29A). Ačkoli mají stejné uspořádání, liší se v tloušťce vrstev iridioforů a melanoforů. Žlutavě-bílá kůže má silnější vrstvu iridioforů a slabší vrstvu melanoforů než hnědě zbarvená kůže.
60
Obr.28: Elektronová mikrofotografie chromatoforů ve žlutavě-bíle zbarvené pokožce. E – epidermální vrstva, X – xantofory, I – iridiofory, M – melanofory, (Kuriyama a kol., 2006).
Zeleně zbarvená kůže má také tři vrstvy dermálních chromatoforů, ale jejich uspořádání se liší od uspořádání v žlutavě-bíle a hnědě zbarvené kůži (obr.29C). U zeleně zbarvené kůže jsou opět melanofory umístěny v nejspodnější vrstvě. Ale vertikální uspořádání xantoforů a iridioforů je vysoce variabilní. V některých místech jsou xantofory umístěny pod iridiofory. Modře zbarvená kůže má pouze dvě vrstvy dermálních chromatoforů (obr.29D), kdy chybí xantofory. Iridiofory jsou opět umístněny nad melanofory. Černě zbarvená kůže zcela postrádá xantofory i iridiofory. Obsahuje tedy pouze melanofory (obr.29B).
61
Obr.29: Elektronová mikrofotografie ukazující kombinace dermálních melanoforů v různě zbarvené pokožce. A) Hnědě zbarvená kůže – vertikální kombinace je stejná jako u žlutavě-bílé kůže. B) Černě zbarvená kůže – melanofory jsou zde jedinými chromatofory. C) Zeleně zbarvená kůže – vertikální uspořádání xantoforů a iridioforů je na některých místech opačné. D) Modře zbarvená kůže – iridiofory se nacházejí nad melanofory. X – xantofory; I – iridiofory; M – melanofory; pre – premelanosomy, (Kuriyama a kol., 2006).
62
7. Morfologická barvoměna Na závěr je zařazena kapitola zabývající se morfologickou barvoměnou. Nejedná se o typickou (fyziologickou) barvoměnu. Morfologická barvoměna se uplatňuje při dlouhodobé adaptaci k prostředí, kdy nejdříve probíhá barvoměna fyziologická, která je po určité době nahrazena barvoměnou morfologickou. Morfologická barvoměna vychází ze změn v morfologii a hustotě chromatoforů. Hraje hlavní úlohu při dlouhodobé adaptaci živočichů. Pokud je adaptace k prostředí prodloužena na dny a týdny, mění se reverzibilně počet chromatoforů a množství melaninu. Při adaptaci ke světlému prostředí dochází ke snížení hustoty melanoforů, zatímco při adaptaci k tmavému prostředí se hustota zvyšuje (obr.30).
Obr.30: Dvě ukázky medaky japonské (Oryzias latipes) po 30-denní adaptaci k prostředí. Nahoře adaptace ke světlému prostředí a dole adaptace k tmavému prostředí, (Sugimoto, 2002).
Množství specifických diferencovaných buněk je v mnohobuněčném organismu určeno poměrem buněčné proliferace a buněčné smrti. Mnoho zralých tkání, včetně kůže, je nepřetržitě zásobováno novými buňkami. Při udržování homeostázy hraje důležitou roli apoptóza, což je aktivní forma buněčné smrti, stejně jako buněčná diferenciace a buněčné dělení (Sugimoto, 2002). Při dlouhodobé adaptaci k tmavému prostředí je zvyšována hustota melanoforů. Právě diferencované melanofory jsou malé a méně dendritické. Později rostou, tmavnou a zvyšují počet výběžků (obr.31). Ve světlém prostředí je redukována velikost
63
melanoforů a množství dendritických výběžků. Následně je apoptózou snižována jejich hustota (obr.32). Při dlouhodobé adaptaci ke světlému prostředí zůstávají některé melanofory zachovány. Tyto melanofory jsou po přemístění do tmavého prostředí schopné obnovit svoji velikost a dendricitu.
Obr.31: Morfologická odezva melanoforů v kůži medaky během adaptace k tmavému prostředí. (A) Kůže před přemístěním do tmavého prostředí. (B) 4 dny po přemístění. V oblastech, které byly původně bez melanoforů, vznikly nové melanofory (šipky). (C) 8 dní přemístění. Nové melanofory rostou a tmavnou, (Sugimoto, 2002).
Obr.32: Mikrofotografie ukazující typické morfologické změny melanoforů v šupině medaky. (A) Melanofory před přemístěním ryby do světlého prostředí. (B) Šest dní po přemístění. Společně s degenerovanými melanofory se v šupině vyskytují i shluky černých kapének. (C) Deset dní po přemístění, (Sugimoto a kol., 2000).
64
Při dlouhodobé adaptaci ke světlému prostředí dochází k degeneraci melanoforů. Melanofor se rozpadne a u ryb se melanin vylije přes povrch kůže mimo tělo. Redukce počtu melanoforů nastává díky apoptóze. Melanin shlukující hormon (MCH) a noradrenalin mohou redukovat hustotu a velikost melanoforů během adaptace ke světlému prostředí. Noradrenalin stimuluje apoptickou smrt melanoforů, a proto se předpokládá, že je apoptóza melanoforů během adaptace ke světlému prostředí řízena sympatickou inervací (Sugimoto a kol, 2000). MCH inhibuje zvyšování obsahu melaninu v pokožce dokonce během adaptace k tmavému prostředí, ale nejí objasněno, zda indukuje snižování hustoty melanoforů. Pokud je kůže ošetřena MCH dochází ke zmenšování velikosti melanoforů bez stimulace apoptické buněčné smrti. Pravděpodobně tedy MCH odpovídá za zmenšování velikosti melanoforů.
65
8. Závěr Tato práce shrnuje základní poznatky o barvoměně živočichů, zaměřuje se především na hlavonožce, ryby, obojživelníky a plazy, u kterých je barvoměna nejčastěji zkoumána.
V souvislosti se zpracováváním tohoto tématu jsem zjistila, že česká literatura zaměřená na problematiku barvoměny prakticky neexistuje. Pokud ano, tak se jedná o články, které jsou určené především pro chovatele živočichů měnících své zbarvení (především chameleonů).
Práci jsem tedy vypracovávala především za pomoci odborných anglických článků, které jsou dostupné na internetu. V současnosti je nedostatek prací shrnujících nejnovější poznatky o molekulární podstatě barvoměny. Obecně se barvoměně věnují především starší články, ze kterých jsem také některé poznatky čerpala. Měla jsem dokonce k dispozici anglickou knihu G. H. Parkera z roku 1948, která je majetkem MU.
Barvoměna je velmi zajímavé téma, které si v české literatuře zaslouží více pozornosti. Doufám, že se má práce stane alespoň malým příspěvkem do této mezery a že se najde alespoň jeden čtenář, kterému moje práce tuto problematiku trochu přiblíží.
66
Seznam zkratek ACTH
adrenokortikotropní hormon
cAMP
cyklický adenosin monofosfát
DOPA
3,4 – dihydroxyfenilalanin
L-glu
L – glutamát
MCH
melanin koncentrující hormon
MSH
melanofory stimulující hormon
MT
melatonin
PKA
proteinkináza A
PKC
proteinkináza C
5-HT
serotonin
67
Seznam použité literatury Bagnara J. T., 1966: Cytology and cytophysiology of non-melanophore pigment cells. Int Rev Cytol. 20, 173 - 205 Bagnara J. T., Tailor J. D., Hadley M. E., 1968: The dermal chromatophore unit. J Cell Biol. 38 (1), 67 - 79 Brocco S. L., Cloney R. A., 1980: Reflector cells in the skin of Octopus dofleini. Cell and Tissue Research 205 (2), 167 - 186 Castrucci A. M., Visconti M. A., Hadley M. E., Hruby V.J., Oshima N., Fujii R., 1988: Melanin concentrating hormone (MCH) control of chromatophores. Prog Clin Biol Res. 256, 547 - 557 Cloney R. A., Florey E., 1968: Ultrastructure of cephalopod chromatophore organs. Zeitschrift für Zellforschung 89 (2), 250 - 280 Cornwell C. J., Messenger J. B., Hanlon R. T., 1977: Chromatophores and body patterning in the squid Alloteuthis subulata. Journal of Marine Biological Association 77, 1243 - 1246 Dubas F., Hanlon R. T., Ferguson G. P., Pinsker H. M., 1986: Localization and stimulation of chromatophore motoneurons in the brain of the squid, Lolliguncula brevis. Journal of Experimental Biology 121, 1 - 25 Froesch D., Messenger J. B., 1978: On leucophores and chromatic unit of Octupos vulgaris. Journal of Zoology 186, 163 - 173 Froesch D., Packard A., 1979: Octopus chromatophores accumulate nickel. Expedientka 35, 828 - 829 Fujii R., 2000: The regulation of motile activity in fish chromatophores. Pigment Cell Res 13 (5), 300 - 319 Fujii R. T., Hayashi H., Toyohara J., Nishi H., 1991: Analysis of the reflection of light from motile iridophores of the dark sleeper, Odontobutis obscura obscura. Zool Sci 8, 461 - 470 Goda M., Fujii R., 1995: Blue chromatophores in two species of callionymid fish. Zool Sci 12, 811 - 813 Hanlon R. T., 1988: Behavioral and body patterning characters useful in taxonomy of field identification of cephalopods. Malacologia 29, 247 - 265 Hanlon R. T., Messenger J. B., 1988: Adaptive coloration in young cuttlefish (Sepia officinalis L.): The morphology and development of body patterns and their 68
relation to behaviour. Phylosiphical Transaction of the Royal Society of London B 320, 437 - 487 Hanlon R. T., Maxwell M. R., Shashar N., Loew E. R., Boyle K. L., 1999: An ethogram of body patterning behaviour in the medically and commercially valuable squid Loligo pealei off Cape Cod, Messechusetts. Biological Bulletin 197, 49 - 62 Harris, T., 2001: How Animal camouflage works. http://science.howstuffworks.com/animal-camouflage.htm, 2007 Iga T., Matsuno A., 1986: Motile iridophores of a freshwater goby, Odontobutis obscura. Cell Tissue Res 244, 165 - 171 Jánský L., 1988: Fyziologie živočichů a člověka. Státní pedagogické nakladatelství, Praha, 205 pp. Kasukawa H., Oshima N., Fujii R., 1987: Mechanisms of light reflection in blue damselfish motile iridophores. Zool Sci 4, 243 - 257 Kuriyama T., Miyaji K., Sugimoto M., Hasegawa M., 2006: Ultrastructure of the dermal chromatophores in a lizard (Scincidae: Pleistiodon latiscutatus) with conspicuous body and tail coloration. Zool Sci 23, 793 - 799 Messenger J. B., 2001: Cephalopod chromatophores: neurology and natural history. Biol. Rev. 76, 473 - 528 Mirrow S., 1972: Skin color in the squids Loligo pealei and Loligo opalescens. I. Chromatophores. Zeitschrift für Zellforschung 125, 176 - 190 Nery L. E., Castrucci A. M., 1997: Pigment cell signalling for physiological color change. Comp. Biochem. Physiol. 118 (4), 1135 - 1144 Oshima N., Kasukawa H., Fujii R., Wilkes B. C., Hruby V. J., Hadley M.E., 1986: Action of melanin-concentrating hormone (MHC) on teleost chromatophores. Gen Comp Endocrinol 64 (3), 381 - 388 Oxford G. S., Gillespie R. G., 1998: Evolution and ecology of spider coloration. Annual Review of Entomology 43, 619 - 643 Packard A., 1974: Chromatophore fields in the skin of octopus. Journal of Physiology 238 (1), 38 - 40 Packard A., Sanders G. D., 1971: Body patterns of Octopus vulgaris and maturation of the response to disturbance. Animal Behaviour 19, 780 - 790 Parker G. H., 1948: Animal colour changes and thein neurohumours. Cambridge University Press, Cambridge, 377 pp. 69
Reed C. M., 1995: The ultrastructure and innervation of muscles controlling chromatophore expansion in the squid, Loligo vulgaris. Cell and Tissue Research 282, 503 - 512 Setoguti T., 1967: Ultrastructure of guanophores. J Ultrastruct Res. 18 (3), 324 - 332 Spurný P., 2000: Ichtyologie (obecná část). MZLU, Brno, 138pp. Sugimoto M., 2002: Morphological color changes in fish: regulation of pigment cell density and morphology. Microscopy Research and Technique 58, 496 - 503 Sugimoto M., Uchida N., Hatayama M., 2000: Apoptosis in skin pigment cells of the medaka, Oryzias latipes (Teleostei), during long-term chromatic adaptation: the role of sympathetic innervation. Cell Tissue Res 301, 205 - 216 Wallin M., 2002: Nature’s palette. Bioscience Explained 1 (2), 1-12
Internetové zdroje URL 1: Jelínek, R. a kol. elektronický učební text, LF UK Praha, http://www.lf3.cuni.cz/histologie/materialy/doc/skripta.pdf URL 2: http://www.waterworxbali.com/sepia-latimanus-d.shtml, WaterWorx Bali URL 3: http://www.randonature.ch/index_n.php?idchoose=161&get_url=sentiersdid/s ortie_image.php URL 4: http://en.wikipedia.org/wiki/Chromatophore URL 5: http://www.divetrip.com/phot0605c.htm URL 6: http://www.umbc.edu/biosci/imaging/galerry/pages/image4.html URL 7: http://www.thecephalopodpage.org/MarineInvertebrateZoology/Octopusvulgar is.html, Melisa L. Pierce and Dr. James B. Wood site URL 8: http://www.kyoto-be.ne.jp/ed-center/zyoho/16leader/higasi/img/donko.jpg
70
