Почему глаза северного оленя зимой отражают синий свет

Летом отражающий слой внутри глаза северного оленя выглядит золотисто-бирюзовым. А глаза северного оленя зимой начинают отражать глубокий синий свет. Меняется не радужка и не цвет глаз в привычном смысле: перестраивается своеобразное «зеркало», расположенное за сетчаткой.

Этот слой называется тапетумом. Он есть у многих животных, хорошо видящих при слабом освещении, — именно поэтому глаза кошки или собаки могут ярко светиться в темноте. Свет, прошедший через сетчатку, отражается от тапетума и проходит через неё ещё раз. Фоторецепторы получают второй шанс поймать фотоны.

У северного оленя это зеркало оказалось необычным. Оно способно менять свои оптические свойства вместе со сменой сезонов.

Золотое летом, синее зимой

Арктический световой режим трудно сравнить с привычной сменой дня и ночи. Летом солнце может неделями почти не покидать небо. Зимой наступает полярная ночь, а значительную часть доступного света составляют продолжительные синие сумерки.

Состав этого сумеречного света тоже необычен. Когда Солнце находится ниже горизонта, его свет проходит длинный путь через атмосферу. Озон особенно эффективно поглощает часть жёлто-оранжевого и красного диапазона, а рассеяние в атмосфере дополнительно усиливает долю коротких волн. В результате арктический зимний пейзаж может часами быть погружён в холодный сине-фиолетовый свет.

Именно к такой среде оказывается настроено зимнее «зеркало» глаза северного оленя.

Ранее исследователи показали, что летом максимальное отражение тапетума приходится примерно на 541 нанометр — зелёно-жёлтую область спектра. Зимой максимум смещается примерно к 444 нанометрам, то есть в синий диапазон.

Зимний тапетум при этом отражает наружу меньше света, но часть света сильнее рассеивается внутри глаза. Электрические ответы сетчатки у животных зимой были значительно выше, чем летом. Такая перестройка, вероятно, повышает чувствительность в темноте, хотя расплачиваться за неё приходится некоторым снижением остроты зрения.

Но почему биологическое зеркало вообще способно менять цвет?

В глазу находится настоящий фотонный материал

В работе 2022 года Роберт Фосбери и Глен Джеффери подробно исследовали физику этого эффекта. Основой тапетума северного оленя оказались упорядоченные волокна коллагена, погружённые в жидкость.

На таком масштабе цвет определяется не пигментом, а расположением микроскопических структур. Подобные системы называют структурной окраской: определённые расстояния между элементами усиливают отражение одних длин волн и ослабляют другие. По тому же общему физическому принципу возникают многие переливающиеся цвета в природе.

Коллагеновые волокна тапетума образуют своего рода двумерный фотонный кристалл. Если расстояние между ними меняется, меняется и свет, который эта структура отражает.

Летом между волокнами больше пространства, их расположение менее плотное, а отражение охватывает широкий диапазон длин волн. Поэтому тапетум выглядит золотистым или бирюзовым.

Зимой волокна сближаются и располагаются более регулярно. Отражение смещается в сторону коротких волн — и зеркало становится глубоким синим.

Исследователи проверили эту идею экспериментально. Они постепенно высушивали образцы летнего и зимнего тапетума, одновременно измеряя спектр отражённого света. По мере потери жидкости расстояние между коллагеновыми волокнами уменьшалось, а отражение действительно смещалось в сторону более коротких волн.

Это поддержало модель, в которой сезонный цвет регулируется количеством жидкости между волокнами и степенью их упаковки.

При этом точный физиологический механизм сезонного переключения ещё нельзя считать окончательно установленным. Одна из гипотез связана с изменением давления внутри глаза. Во время долгой арктической темноты зрачок остаётся расширенным продолжительное время, что может влиять на движение жидкости и способствовать сжатию структуры тапетума.

Глаз, который перестраивает собственное зеркало

Самое интересное здесь не просто в смене цвета.

Зимой оптические свойства тапетума оказываются особенно хорошо согласованы с синим спектром арктических сумерек. Авторы предполагают, что такая настройка помогает использовать редкий зимний свет эффективнее и повышает контраст объектов в условиях, когда обычное зрение работает на пределе.

Это выглядит логичной адаптацией, но её экологическую пользу нельзя измерить одним экспериментом с изолированной тканью глаза. Насколько именно перестройка помогает находить пищу или раньше замечать хищника в природе, остаётся более сложным вопросом.

На сегодняшний день северные олени остаются единственными известными млекопитающими, для которых описана настолько выраженная сезонная перестройка отражающей структуры глаза.

Получается необычная система: летний глаз настроен на избыток света, а с наступлением полярной ночи тот же орган физически перестраивает наноструктуру своего внутреннего зеркала.

Зима у северного оленя начинается не только за окном. Она начинается и внутри глаза.