Кіріспе

Түстің негізгі функциясы бар жасушалар жануарлардың кең ауқымында кездеседі, бұл жасушаның немесе көпжасушалы организмнің бір түрі. Хроматофорлар – түс шығаратын жасушалар, олардың көптеген түрлері пигменттерді қамтитын жасушалар немесе жасушалар тобы болып табылады және қосмекенділер, балықтар, бауырымен жорғалаушылар, қабықшалылар мен бас табанды моллюскалар сияқты әртүрлі жануарларда кездеседі. Ал сүтқоректілер мен құстарда түс үшін меланоциттер деп аталатын жасушалар бар. Хроматофорлар эктотермиялық жануарларда тері мен көздің түсін қалыптастыруға басты жауапты және эмбрионалық даму кезінде нейрондық гребенде пайда болады. Ересек хроматофорлар ақ жарықтағы түсіне қарай кіші топтарға бөлінеді: ксантофорлар (сары), эритрофорлар (қызыл), иридофорлар (жарық шағылыстыратын / ілгекті), лейкофорлар (ақ), меланофорлар (қара/қоңыр) және цианофорлар (көк). Хроматофорлардың көпшілігі белгілі бір толқын ұзындығын сіңіретін пигменттерді қамтиды, ал лейкофорлар мен иридофорлардың түсі олардың шашырату және оптикалық интерференция қасиеттері арқылы пайда болады. Кейбір түрлер пигменттерді жылжыту және хроматофорлар ішіндегі жарық шағылыстыратын пластиналарды қайта бағыттау арқылы түсін жылдам өзгерте алады. Бұл процесс көбінесе камуфляж түрі ретінде қолданылады және физиологиялық түс өзгерісі немесе метахрозия деп аталады. Сияқты бас табанды моллюскалар (осьминогтер) бұл мақсатқа жету үшін бұлшықеттермен басқарылатын күрделі хроматофор органдарына ие, ал хамелеондар сияқты омыртқалы жануарлар ұқсас әсерді жасуша сигналдары арқылы тудырады. Мұндай сигналдар гормондар немесе нейротрансмиттерлер болуы мүмкін және көңіл-күйдің, температураның, стрестің немесе жергілікті ортаның көрінетін өзгерістерінен басталуы мүмкін. Хроматофорлар ғалымдар тарапынан адам ауруларын түсіну және жаңа дәрілерді іздеу құралы ретінде зерттеледі.

Хроматофорды жіктеу

Хроматофор термині (Сангиованнидің хромафорынан кейін) суыққанды омыртқалылар мен басқаяқтылардың жүйкелік гребенінен пайда болатын пигменттерді таситын жасушалар үшін қабылданды. Бұл сөз грек тіліндегі chrōma (χρῶμα) – «түс» және phoros (φόρος) – «тасушы» деген мағынаны білдіреді. Керісінше, құстар мен сүтқоректілердегі түске жауапты жасушалар үшін хроматоцит (kytos (κύτος) – «жасуша») термині қолданылды. Бұл жануарларда тек бір ғана жасуша түрі – меланоциттер анықталды. Хроматофорлар 1960 жылдарға дейін олардың сыртқы түріне қарай жіктеуге жетерлік деңгейде зерттелмеген еді. Бұл жіктеу жүйесі бүгінгі күнге дейін сақталып келеді, бірақ пигменттердің биохимиясы жасушалардың жұмыс істеу механизмін ғылыми тұрғыдан түсінуге көбірек көмектеседі. Түс шығаратын молекулалар екі негізгі классқа бөлінеді: биохромдар және құрылымдық түстер немесе «схемохромдар». Биохромдарға каротиноидтар және птеридиндер сияқты нақты пигменттер жатады. Бұл пигменттер ақ жарықты құрайтын көрінетін спектрдің белгілі бір бөліктерін сіңіріп алады, ал қалған толқын ұзындықтары бақылаушының көзіне жетеді. Құрылымдық түстер жарықтың дифракциясы, шағылысуы немесе шашырауы арқылы пайда болады, мұндағы құрылымдардың өлшемі жарық толқын ұзындығының төрттен білігіне жуық. Мұндай құрылымдардың көпшілігі жарықтың кейбір толқын ұзындықтарына (түстеріне) кедергі келтіріп, қалғандарын өткізіп жібереді, осының нәтижесінде әртүрлі бағыттардан қарағанда әртүрлі түстер пайда болады – иридесценция құбылысы. Барлық хроматофорлар пигменттерді немесе шағылыстыратын құрылымдарды қамтиды (албинизм сияқты мутациялар болмаса), бірақ пигменттері бар барлық жасушалар хроматофорлар емес. Мысалы, гема – қанның қызыл түсіне жауапты биохром. Ол негізінен қызыл қан жасушаларында (эритроциттерде) кездеседі, олар ағзаның өмірі бойы сүйек миында пайда болады, ал ерекше даму кезінде емес. Сондықтан эритроциттер хроматофорлар класына жатпайды.

Ксантофорлар мен эритрофорлар

Көп мөлшерде сары птеридин пигменттерін қамтитын хроматофорлар ксантофорлар деп аталады; ал негізінен қызыл/қызғылт сары каротиноидтар барлары эритрофорлар деп аталады. Сондықтан, осы хроматофор түрлерінің аражігілік айырмашылығы әрқашан да нақты болмайды. Көптеген хроматофорлар гуанозин трифосфатынан птеридиндерді синтездей алады, бірақ ксантофорлар сары пигментті жинақтауға мүмкіндік беретін қосымша биохимиялық жолдарға ие болып көрінеді. Ал каротиноидтар метаболизмделіп, эритрофорларға тасымалданады. Бұл алғаш рет қалыпты жасыл бақаларды каротинге жеткіліксіз жеммен (саңырауқұлақтармен) қоректендіру арқылы көрсетілді. Бақалардың рационында каротиннің болмауы олардың эритрофорларында қызыл/қызғылт сары каротиноидтық "фильтр" қалыптаспағанын білдірді. Осының салдарынан бақалар жасыл емес, көк түсті көрінді.

Иридофорлар мен лейкофорлар

Иридофорлар, кейде гуанофорлар деп те аталады, гуаниннен жасалған кристаллдық химиохромдардың пластиналарын пайдаланып жарықты шағылыстыратын хроматофорлар. Жарық түскен кезде олар жарықтың конструктивті араласуының нәтижесінде көлденеңді түстерді жасайды. Балықтардың иридофорлары әдетте, цитоплазма қабаттарымен бөлінген гуанин пластиналарынан тұрады, бұл микроскопиялық, бір өлшемді Брэгг айналарын құрайды. Химиохромның бағыты және оптикалық қалыңдығы байқалатын түстің сипатын анықтайды. Биохромдарды түсті сүзгілер ретінде пайдаланып, иридофорлар Тиндалл немесе Рейли шашырауы деп аталатын оптикалық эффектіні тудырады, нәтижесінде ашық көк немесе жасыл түстер пайда болады. Меланин синтезіндегі маңызды фермент – тирозиназа. Егер бұл белок бұзылған болса, меланин өндірілмейді, соның салдарынан альбинизмнің кейбір түрлері пайда болады. Кейбір қосмекенділерде эумеланинмен қатар басқа пигменттер де кездеседі. Мысалы, филломедузинді бақалардың меланофорларында жаңа, терең (шарап) қызыл түсті пигмент анықталды. Анолис грахами сияқты анолис кесірткелерінің кейбір түрлері белгілі бір сигналдар мен гормональдық өзгерістерге жауап ретінде меланоциттерді пайдаланады және ашық көк, қоңыр және қара түстерге боялуға қабілетті. Бұл кейіннен птерородин деп анықталды, ол эумеланин ядросының айналасында жиналатын птеридин димері, сонымен қатар Австралия мен Папуа-Жаңа Гвинеядан таралған түрлі ағаш бақаларында да кездеседі. Басқа, аз зерттелген түрлерде күрделі меланофор пигменттері болуы мүмкін, бірақ осы уақытқа дейін зерттелген меланофорлардың көпшілігі тек эумеланин ғана қамтиды. Адамдарда тері, шаш және көз түсін жасау үшін меланофорларға баламалы бір ғана пигменттік жасуша класы бар. Осы себепті, және жасушалардың көп саны мен түстерінің контрасты оларды көруді өте оңай етеді, меланофорлар ең көп зерттелген хроматофорлар болып табылады. Дегенмен, меланофорлар мен меланоциттердің биологиясы арасында айырмашылықтар бар. Меланоциттер эумеланиннен басқа, феомеланин деп аталатын сары/қызыл пигментті де өндіре алады.

Цианофорлар

Жануарлар мен өсімдіктердегі жарық көк түстердің көбі пигменттер емес, құрылымдық түс беру арқылы пайда болады. Дегенмен, Synchiropus splendidus түрлерінің кейбіреулерінде цианофорлар деп аталатын жасушаларда химиялық құрамы белгісіз цианохромнан тұратын көпіршіктер кездеседі. Ал Pseudochromis diadema түрінде эритроиридофорлар деп аталатын және ерекше дихроматикалық хроматофорлар сипатталған.

Пигменттердің ауысуы

Көптеген түрлер пигментті хроматофорларының ішінде жылжыта алады, нәтижесінде дене түсі айқын өзгеріп отырады. Бұл физиологиялық түс өзгерісі деп аталатын процесс меланофорларда ең көп зерттелген, себебі меланин – ең қараңғы және ең жақсы көрінетін пигмент. Дермасы салыстырмалы түрде жұқа түрлердің көпшілігінде дермалық меланофорлар жалпақ болып келеді және үлкен бет алады. Дегенмен, қалың дерма қабаттары бар жануарларда, мысалы ересек бауырымен жорғалаушыларда, дермалық меланофорлар басқа хроматофорлармен үш өлшемді бірліктер құрайды. Бұл дермалық хроматофор бірліктері (ДСБ) жоғарғы ксантофор немесе эритрофор қабатынан, содан кейін иридофор қабатынан және ақырында иридофорларды жабатын тармақты процестері бар меланофор қабатынан тұрады. Меланофордың екі түрі де физиологиялық түс өзгерісінде маңызды. Жалпақ дермалық меланофорлар көбінесе басқа хроматофорлардың үстіне орналасқан, сондықтан пигмент жасуша ішінде тарағанда тері қараңғы көрінеді. Пигмент жасушаның ортасына жиналғанда, басқа хроматофорлардағы пигменттерге жарық түсіп, тері олардың реңін алады. Сол сияқты, ДСБ-да меланиннің жиналуынан кейін, тері иридофор қабатынан шашыраған жарықтың ксантофор (сары) сүзгісінен өткеннен кейін жасыл түске енеді. Меланин тарағанда жарық енді шашырамайды және тері қараңғы болып көрінеді. Басқа биохроматикалық хроматофорлар да пигментті жылжытуға қабілетті болғандықтан, бірнеше хроматофор түрі бар жануарлар пигменттің таралу эффектін тиімді пайдаланып, терінің керемет түстерін жасай алады. Пигменттің жылдам жылжуын бақылау және оның механизмі көптеген түрлерде, әсіресе қосмекенділер мен телеост балықтарда жақсы зерттелген. Бұл процесс гормоналды немесе нейрондық бақылауда болуы мүмкін екені дәлелденді, ал көптеген сүйекті балықтардың түрлері үшін хроматофорлар көзге көрінетін жарық, ультракүлгін сәуле, температура, pH, химиялық заттар сияқты қоршаған ортаның тітіркендіргіштеріне тікелей жауап бере алатыны белгілі. Пигментті жылжытатын нейрохимиялық заттардың қатарында норадреналин бар, ол меланофорлар бетіндегі рецепторы арқылы әрекет етеді. Транслокацияны реттеуге қатысатын негізгі гормондар – гипофиз, эпифиз және гипоталамуста өндірілетін меланокортиндер, мелатонин және меланин концентрациясын арттыратын гормон (МСН). Бұл гормондар терідегі жасушалар арқылы паракриндық жолмен де өндіріледі. Меланофордың бетінде гормондар белгілі бір G белоктарымен байланысқан рецепторларды белсендіреді, олар өз кезегінде сигналды жасушаға жеткізеді. Меланокортиндер пигменттің таралуына, ал мелатонин мен МСН пигменттің жиналуына әкеледі. Адам терісі мен шашының түсін реттейтін рецепторлардың ішінде осы рецептор бар. MC1R зебра балықтарында меланиннің таралуы үшін қажет екені көрсетілді. Жасуша ішінде циклдік аденозин монофосфаты (цАМФ) пигменттің жылжуының маңызды екінші хабаршысы болып табылады. Әлі толық түсінілмеген механизм арқылы цАМФ басқа ақуыздарға, мысалы, протеинкиназа А-ға әсер етеді, олар пигментті қамтитын көпіршіктерді микротүтікшелер мен микрофиламенттер бойымен тасымалдайтын молекулалық моторларды қозғалтады.

Бастапқы жағдайға бейімделу

Балықтардың, бауырымен жорғалаушылардың және қосмекенділердің көпшілігі қоршаған ортаның өзгеруіне жауап ретінде шектеулі физиологиялық түс өзгерісіне ұшырайды. Бұл маскировка түрі, фонға бейімделу деп аталады, көбінесе тері түсінің сәл қараюы немесе ашықтануы түрінде көрінеді, бұл жақын маңайдағы ортаның түсін шамамен қайталайды. Фонға бейімделу процесінің көру қабілетіне тәуелді екені көрсетілді (жануар оған бейімделу үшін ортаны көруі керек). Хамелеондар мен анольдер сияқты кейбір жануарлар өте дамыған фонға бейімделу реакциясына ие, олар қысқа мерзімде көптеген түрлі түстерді жасай алады. Олар температураға, көңіл-күйге, стресс деңгейіне және әлеуметтік сигналдарға жауап ретінде түс өзгерту қабілетін дамытты, жай ғана ортаны қайталаудың орнына.

Даму

Омыртқалы жануарлардың эмбриональды дамуы кезінде хроматофорлар – нейрондық қыртыста пайда болатын, нейрон түтігінің шеттерінде қалыптасатын жасушалардың бірнеше түрінің бірі. Бұл жасушалар ұзақ қашықтыққа миграциялай алады, соның нәтижесінде хроматофорлар дене мүшелерінің көптеген түрлеріне, соның ішінде теріге, көзге, құлаққа және миға таралады. Балықтардың меланофорлары мен иридофорларында тегіс бұлшық еттерді реттейтін [кальпонин] және кальдесмон ақуыздары табылған. Нервтік қыртыстан толқындармен шығып, хроматофорлар дерма арқылы дорсолатеральды жолмен немесе сомиттер мен нейрон түтігі арасындағы вентромедиалдық жолмен қозғалады, эктодермаға базалық мембранадағы кішкентай тесіктер арқылы еніп барады. Көздің торлы қабықшасының пигменттік эпителийінің меланофорлары бұл ереженің ерекшелігі болып табылады, олар нейрондық қыртыстан пайда болмайды. Оның орнына, нейрон түтігінен сыртқа қарай өсіп шығып, оптикалық стақаншаны құрайды, ол өз кезегінде торлы қабықшаға айналады. Көп потенциалды хроматофорлардың (хроматобластар деп аталатын) прекурсорлық жасушаларының қызыл жасушаларға қалай және қашан дифференциацияланатыны зерттеулердің тақырыбы болып табылады. Мысалы, зебра балығының эмбриондарында ұрықтанғаннан кейін 3 күн өткен соң, ересек балықтарда кездесетін барлық жасуша түрлері – меланофорлар, ксантофорлар және иридофорлар – қалыптасқан. Мутант балықтарды зерттеулер нәтижесінде kit, sox10 және mitf сияқты транскрипциялық факторлар хроматофорлардың дифференциациясын бақылауда маңызды екені анықталды. Егер бұл ақуыздардың құрылымында ақаулар болса, хроматофорлар аймақтық тұрғыдан немесе толығымен жоқ болуы мүмкін, бұл лейцистік бұзылысқа әкеледі.

Практикалық қолдану

Хроматофорлар кейде қолданбалы зерттеулерде пайдаланылады. Мысалы, зебра балығының дернәсілдері хроматофорлардың қалай ұйымдасып, байланыс жасайтынын зерттеу үшін қолданылады, бұл ересек балықтарда көрінетін реттелген көлденең жолақты үлгіні дәл қалыптастыруға мүмкіндік береді. Бұл эволюциялық даму биологиясы саласындағы үлгілерді түсіну үшін пайдалы модельдік жүйе ретінде қарастырылады. Хроматофорлар биологиясы адамның жағдайларын немесе ауруларын, соның ішінде меланома мен альбинизмді модельдеу үшін де қолданылған. Жақында меланофорға тән алтын зебра балығының Slc24a5 гені адамдағы тері түсімен күшті байланысы бар екені анықталды. Хроматофорлар суыққан қанды жануарларда соқырлықтың биомаркері ретінде де қолданылады, себебі белгілі бір көру кемістігі бар жануарлар жарық ортасына бейімделе алмайды. Меланофорлардағы пигменттердің қозғалысын қамтамасыз ететін рецепторлардың адамдағы гомологтары аштықты басу және күйдіру сияқты процестерге қатысады деп саналады, бұл оларды дәрілік препараттар үшін тартымды нысанаға айналдырады. Басқа ғалымдар меланофорларды биосенсор ретінде пайдалану және ауруды жылдам анықтау үшін әдістерді әзірледі (балық меланофорларындағы пигменттердің жиналуын пертуссис токсині тоқтатуы анықталған). Хроматофорлардың көмегімен түс өзгертудің әскери қолданылу мүмкіндіктері ұсынылды, негізінен белсенді камуфляж түрі ретінде, бұл сияқұттар сияқты нысандарды жасыруға мүмкіндік береді.

Баяқтылар хроматофорлары

Колеоидты баспаяқтылар (оның ішінде сегізбалықтар, кальмарлар және сепиялар) тез түс өзгертуге мүмкіндік беретін күрделі көпжасушалы мүшелеріне ие, осы арқылы әртүрлі жарқын түстер мен өрнектерді жасайды. Әрбір хроматофор бірлігі бір хроматофор жасушасынан және көптеген бұлшықет, жүйке, глиальды және қабықша жасушаларынан тұрады. Хроматофор жасушасының ішінде пигмент гранулалары цитоэластикалық сакулус деп аталатын серпіңкіш қапшыққа жиналған. Түсті өзгерту үшін жануар бұлшықет жирылуы арқылы сакулустың пішінін немесе көлемін өзгертеді, осылайша оның мөлдірлігін, шағылыстыру қабілетін немесе түссіздігін өзгертеді. Бұл балықтар, қосмекенділер және дернәсілдердегі механизмнен өзгеше, онда пигменттік көпіршіктерді жасуша ішінде жылжытудың орнына сакулустың пішіні өзгертіледі. Дегенмен, ұқсас нәтижеге қол жеткізіледі. Сегізбалықтар мен көптеген сепиялар хроматофорларды күрделі, толқын тәрізді хроматикалық көрсетулерде қолдана алады, нәтижесінде түрлі-түрлі, жылдам өзгеріп отыратын түстер схемалары пайда болады. Хроматофорларды басқаратын жүйкелердің мидағы орналасуы, олар басқаратын хроматофорлардың пішінімен сәйкес келеді деп саналады. Яғни, түс өзгерісінің үлгісі, нейрондық белсенділіктің үлгісімен функционалды түрде үйлеседі. Бұл, нейрондар қайталама сигнал каскады арқылы белсендірілгенде, түс өзгерісінің толқындарын байқауға болатындығын түсіндіруге көмектеседі. Хамелеондар сияқты, баспаяқтылар да әлеуметтік өзара әрекеттесу үшін физиологиялық түс өзгерісін пайдаланады. Олар сонымен қатар, өте шебер маскировка жасаушылардың қатарында, қоршаған ортаның түс таралуын және текстурасын ерекше дәлдікпен қайта жасай алады.