الصبغة البيولوجية

الكاروتينات هي المجموعة الأكثر شيوعاً من الأصباغ الموجودة في الطبيعة. ^{[ 18 ]} يوجد أكثر من 600 نوع مختلف من الكاروتينات في الحيوانات والنباتات والكائنات الدقيقة.

لا تستطيع الحيوانات البحرية إنتاج الكاروتينات بنفسها، لذا تعتمد على النباتات للحصول على هذه الأصباغ. وتُعدّ بروتينات الكاروتين شائعةً بشكلٍ خاص بين الحيوانات البحرية. هذه المركبات مسؤولة عن الألوان المختلفة (الأحمر، البنفسجي، الأزرق، الأخضر، إلخ) التي تتميز بها هذه اللافقاريات البحرية في طقوس التزاوج والتمويه. يوجد نوعان رئيسيان من بروتينات الكاروتين: النوع أ والنوع ب. يحتوي النوع أ على كاروتينات (صبغة) مرتبطة بنسبةٍ قياسية ببروتين بسيط (بروتين سكري). أما النوع ب، فيحتوي على كاروتينات مرتبطة ببروتين دهني، وهو عادةً أقل استقرارًا. بينما يوجد النوع أ عادةً في سطح (أصداف وجلود) اللافقاريات البحرية، يوجد النوع ب عادةً في البيض والمبايض والدم. وتعتمد ألوان وامتصاص هذه المركبات البروتينية الكاروتينية المميزة على الارتباط الكيميائي بين الصبغة ووحدات البروتين الفرعية.

على سبيل المثال، يحتوي بروتين الكاروتين الأزرق، لينكياكيانين ، على ما يقارب 100-200 جزيء كاروتينويد في كل مُركّب. ^{[ 19 ]} بالإضافة إلى ذلك، تتغير وظائف هذه المُركّبات الصبغية البروتينية بتغير تركيبها الكيميائي. تُعدّ بروتينات الكاروتين الموجودة ضمن بنية التمثيل الضوئي أكثر شيوعًا، ولكنها مُعقّدة. أما مُركّبات الصبغية البروتينية الموجودة خارج نظام التمثيل الضوئي فهي أقل شيوعًا، ولكنها ذات بنية أبسط. على سبيل المثال، يوجد اثنان فقط من بروتينات أستاكسانثين الزرقاء هذه في قنديل البحر، فيليلا فيليلا ، ويحتوي كل مُركّب منها على حوالي 100 كاروتينويد فقط. ^{[ 20 ]}

يُعدّ الأستازانتين أحد الكاروتينات الشائعة في الحيوانات ، وهو يُنتج صبغةً بنفسجيةً زرقاء وخضراء. يتكوّن لون الأستازانتين من خلال تكوين مركبات مع البروتينات بترتيبٍ مُحدّد. على سبيل المثال، يحتوي الكروستوكرين على ما يقارب 20 جزيئًا من الأستازانتين مرتبطةً بالبروتين. عندما تتفاعل هذه المركبات عبر تفاعل الإكسيتون-إكسيتون، ينخفض ​​امتصاص الضوء، مما يُغيّر لون الصبغات المختلفة.

يحتوي الكركند على أنواع مختلفة من مركبات أستاكسانثين-بروتين. أولها الكرستاسيانين (بحد أقصى 632  نانومتر)، وهو صبغة زرقاء رمادية توجد في درع الكركند. ثانيها الكراستوكرين (بحد أقصى 409 نانومتر)، وهي صبغة صفراء توجد على الطبقة الخارجية للدرع. وأخيرًا، يشكل الليبوجليكوبروتين والأوفوفيردين صبغة خضراء زاهية توجد عادةً في الطبقات الخارجية للدرع وبيض الكركند. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

تُعدّ رباعيات البيرول ثاني أكثر مجموعات الأصباغ شيوعًا. ^{[ 23 ]} تتكون من أربع حلقات بيرول، كل حلقة منها تحتوي على C₄H₄NH _. يتمثل الدور الرئيسي لتيترا بيرول في ارتباطها بعملية الأكسدة البيولوجية. تلعب رباعيات البيرول دورًا هامًا _في نقل الإلكترونات، كما أنها تُعدّ بديلًا للعديد من الإنزيمات. ولها أيضًا دور في تلوين أنسجة الكائنات البحرية.

الميلانين ^{[ 24 ]} هو فئة من المركبات التي تعمل كصبغة ذات تراكيب مختلفة، وهي المسؤولة عن الألوان الداكنة والبنية والصفراء/الحمراء في الحيوانات البحرية. يُنتج الميلانين من خلال تحويل الحمض الأميني التيروسين إلى ميلانين، وهو موجود في الجلد والشعر والعينين. وهو عبارة عن بوليمرات مشتقة من الأكسدة الهوائية للفينولات.

توجد أنواع عديدة من الميلانين، إذ يتكون الميلانين من جزيئات أصغر، مثل الميلانين المحتوي على النيتروجين. وينقسم الميلانين إلى فئتين: الميلانين الأسود والبني غير القابل للذوبان (يوميلانين)، والذي ينتج عن الأكسدة الهوائية للتيروسين بوجود إنزيم التيروزيناز، والميلانين الفايوميلانين القابل للذوبان في القلويات، والذي يتراوح لونه من الأصفر إلى البني المحمر، وينتج عن انحراف مسار إنتاج الميلانين الأسود عبر تدخل السيستين و/أو الجلوتاثيون. يوجد الميلانين الأسود عادةً في الجلد والعينين. ومن أنواع الميلانين الأخرى: الميلانوبروتين (ميلانين بني داكن يُخزن بتركيزات عالية في كيس الحبر لدى الحبار Sepia officinalis)، والميلانين القنفذي (الموجود في دولارات الرمل وقلوب قنافذ البحر)، والميلانين الخياري (الموجود في خيار البحر)، والميلانين الهش (الموجود في نجم البحر الهش ونجم البحر الثعباني). من المحتمل أن تكون هذه الميلانينات بوليمرات ناتجة عن اقتران متكرر لجزيئات أحادية بسيطة ثنائية الوظائف، أو لجزيئات ذات أوزان جزيئية عالية. وتعمل مركبات البنزوثيازول وحلقات رباعي هيدروإيزوكينولين كمركبات ماصة للأشعة فوق البنفسجية.

تُعدّ الحيوانات البحرية المصدر الوحيد للضوء في أعماق البحار، حيث تُصدر طاقة ضوئية مرئية تُعرف باسم التلألؤ البيولوجي ^{[ 25 ]} ، وهو نوع فرعي من التلألؤ الكيميائي . وهو تفاعل كيميائي يتم فيه تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة ضوئية. وتشير التقديرات إلى أن 90% من حيوانات أعماق البحار تُنتج نوعًا من التلألؤ البيولوجي. وبالنظر إلى أن نسبة كبيرة من طيف الضوء المرئي تُمتص قبل وصولها إلى أعماق البحار، فإن معظم الضوء المنبعث من الحيوانات البحرية يكون أزرق وأخضر. ومع ذلك، قد تُصدر بعض الأنواع ضوءًا أحمر وأشعة تحت الحمراء، بل وُجد جنس من الحيوانات البحرية يُصدر تلألؤًا بيولوجيًا أصفر. يُعرف العضو المسؤول عن انبعاث التلألؤ البيولوجي باسم الفوتوفورات. يوجد هذا النوع فقط في الحبار والأسماك، ويُستخدم لإضاءة أسطحها البطنية، مما يُخفي صورها عن المفترسات. تختلف استخدامات الفوتوفورات في الحيوانات البحرية، فهي تعمل كعدسات للتحكم في شدة اللون، وشدة الضوء المُنتَج. يمتلك الحبار خلايا ضوئية وخلايا صبغية تتحكم في شدة الإضاءة. ومن العوامل الأخرى المسؤولة عن انبعاث الضوء الحيوي، والذي يظهر جليًا في ومضات الضوء التي تصدرها قناديل البحر ، أن هذه العملية تبدأ باللوسيفيرين (مولد الضوء) وتنتهي بباعث الضوء (مولد الضوء). يتفاعل اللوسيفيرين واللوسيفيراز والملح والأكسجين لتكوين وحدة واحدة تُسمى البروتينات الضوئية، والتي تُنتج الضوء عند تفاعلها مع جزيء آخر مثل أيون الكالسيوم (Ca+). تستخدم قناديل البحر هذه الخاصية كآلية دفاعية؛ فعندما يحاول مفترس أصغر التهام قنديل البحر، فإنه يومض بأضوائه، مما يجذب المفترس الأكبر ويطرده. كما يُستخدم هذا السلوك أيضًا في التزاوج.

في الشعاب المرجانية وشقائق النعمان البحرية، تتألق هذه الأصباغ؛ حيث يُمتص الضوء عند طول موجي معين، ثم يُعاد إصداره عند طول موجي آخر. وقد تعمل هذه الأصباغ كواقيات طبيعية من الشمس، وتساعد في عملية التمثيل الضوئي، وتُستخدم كلون تحذيري، وتجذب الشريك، وتحذر المنافسين، أو تُربك المفترسات.

الخلايا الصبغية هي خلايا متغيرة اللون، تُحفز مباشرةً بواسطة الخلايا العصبية الحركية المركزية. وتُستخدم بشكل أساسي للتكيف السريع مع البيئة، وخاصةً للتمويه. تعتمد عملية تغيير لون جلدها على خلية صبغية واحدة متطورة للغاية، بالإضافة إلى العديد من العضلات والأعصاب والخلايا الدبقية والخلايا الغمدية. تنقبض الخلايا الصبغية وتحتوي على حويصلات تخزن ثلاثة أنواع مختلفة من الصبغات السائلة. يُشير كل لون إلى أحد هذه الأنواع الثلاثة من الخلايا الصبغية: الخلايا الحمراء ، والخلايا السوداء ، والخلايا الصفراء . النوع الأول هو الخلايا الحمراء، التي تحتوي على صبغات حمراء مثل الكاروتينات والبتيريدينات. النوع الثاني هو الخلايا السوداء، التي تحتوي على صبغات سوداء وبنية مثل الميلانين. أما النوع الثالث فهو الخلايا الصفراء، التي تحتوي على صبغات صفراء على شكل كاروتينات. تتكون الألوان المختلفة من خلال تفاعل طبقات الخلايا الصبغية المختلفة. عادةً ما تتواجد هذه الخلايا تحت جلد الحيوانات أو على حراشفها. تُنتج الخلايا نوعين من الألوان: الألوان الحيوية والألوان التركيبية . الألوان الحيوية هي ألوان تتكون كيميائيًا من أصباغ مجهرية طبيعية، حيث يُصمم تركيبها الكيميائي لامتصاص جزء من الضوء وعكس الباقي. أما الألوان التركيبية (الألوان البنيوية)، فهي ألوان ناتجة عن انعكاس الضوء من سطح عديم اللون وانكساره بواسطة الأنسجة. تعمل هذه الألوان كالموشورات، حيث تكسر الضوء المرئي وتشتته في البيئة المحيطة، مما يؤدي في النهاية إلى انعكاس مزيج محدد من الألوان. تُحدد هذه الأنواع من الألوان بحركة الأصباغ داخل الخلايا الصبغية. التغيرات اللونية الفسيولوجية قصيرة المدى وسريعة، وتُلاحظ في الأسماك، وهي ناتجة عن استجابة الحيوان لتغيرات بيئية. في المقابل، التغيرات اللونية المورفولوجية طويلة المدى، وتحدث في مراحل مختلفة من نمو الحيوان، وتعود إلى تغير عدد الخلايا الصبغية. لتغيير أصباغ اللون أو الشفافية أو العتامة، تتغير الخلايا في الشكل والحجم، وتتمدد أو تنكمش أغشيتها الخارجية.

نتيجةً لأضرار الأشعة فوق البنفسجية من النوعين A وB، طوّرت الحيوانات البحرية مركبات تمتص هذه الأشعة وتعمل كواقي شمسي. تستطيع الأحماض الأمينية الشبيهة بالميكوسبورين (MAAs) امتصاص الأشعة فوق البنفسجية عند أطوال موجية تتراوح بين 310 و360  نانومتر. يُعدّ الميلانين أيضًا من المواد المعروفة بحماية الكائنات البحرية من الأشعة فوق البنفسجية. تعمل الكاروتينات والأصباغ الضوئية بشكل غير مباشر كأصباغ واقية من الضوء، إذ تُثبّط الجذور الحرة للأكسجين. كما تُكمّل هذه المواد أصباغ التمثيل الضوئي التي تمتص طاقة الضوء في نطاق اللون الأزرق.

من المعروف أن الحيوانات تستخدم أنماط ألوانها لتحذير المفترسات، إلا أنه لوحظ أن صبغة إسفنجية تحاكي مادة كيميائية تُنظّم عملية انسلاخ نوع من القشريات البرمائية التي تتغذى على الإسفنج. لذا، عندما تتغذى هذه القشريات على الإسفنج، تمنع الصبغة الكيميائية عملية الانسلاخ، مما يؤدي في النهاية إلى موتها.

تختلف ألوان اللافقاريات تبعًا للعمق، ودرجة حرارة الماء، ومصدر الغذاء، والتيارات البحرية، والموقع الجغرافي، والتعرض للضوء، والترسبات. فعلى سبيل المثال، تقل كمية الكاروتينويد في شقائق النعمان البحرية كلما تعمقنا في المحيط. وبالتالي، فإن الكائنات البحرية التي تعيش في المياه العميقة أقل تألقًا من الكائنات التي تعيش في المناطق المضاءة جيدًا، وذلك بسبب انخفاض الصبغات. وفي مستعمرات التكافل بين الزقيات والطحالب الزرقاء (Tridedemnum solidum)، تختلف ألوانها تبعًا لنظام الإضاءة الذي تعيش فيه. فالمستعمرات المعرضة لأشعة الشمس المباشرة تكون متكلسة بشدة، وأكثر سمكًا، وبيضاء اللون. في المقابل، تحتوي المستعمرات التي تعيش في المناطق المظللة على كمية أكبر من الفيكوإريثرين (صبغة تمتص اللون الأخضر) مقارنةً بالفيكوسيانين (صبغة تمتص اللون الأحمر)، وهي أرق، ولونها بنفسجي. يرجع اللون الأرجواني في المستعمرات المظللة بشكل رئيسي إلى صبغة الفيكوبيلين الموجودة في الطحالب، مما يعني أن اختلاف التعرض للضوء يغير ألوان هذه المستعمرات.

التلوين التحذيري هو استخدام الألوان لتنبيه المفترسات المحتملة بالابتعاد. في العديد من أنواع الرخويات العارية الخيشومية من فصيلة الكرومودوريد، يتم امتصاص مواد كيميائية كريهة المذاق وسامة تنبعث من الإسفنج وتخزينها في غددها الكارهة (الموجودة حول حافة الوشاح). وقد تعلمت المفترسات تجنب هذه الأنواع تحديدًا بناءً على أنماط ألوانها الزاهية. كما تحمي الفرائس نفسها أيضًا بمركباتها السامة التي تتراوح بين مجموعة متنوعة من المركبات العضوية وغير العضوية.

تؤدي أصباغ الحيوانات البحرية وظائف متعددة، إلى جانب دورها الدفاعي. فمن المعروف أن بعض هذه الأصباغ يحمي من الأشعة فوق البنفسجية (انظر: الأصباغ الواقية من الضوء). وفي الرخويات البحرية العارية الخيشومية (Nembrotha Kubaryana)، وُجد أن صبغة التترا بيرول 13 عامل قوي مضاد للميكروبات. كما أظهرت مركبات تامجامين A وB وC وE وF في هذا الكائن خصائص مضادة للميكروبات، ومضادة للأورام، ومثبطة للمناعة.

تُعرف مركبات السيسكويتربينويد بألوانها الزرقاء والبنفسجية، ولكن أُفيد أيضًا أنها تُظهر أنشطة بيولوجية متنوعة، مثل مضادات البكتيريا، وتنظيم المناعة، ومضادات الميكروبات، والسمية الخلوية، بالإضافة إلى تثبيط انقسام الخلايا في بيض قنافذ البحر والأسيديا المخصب. وقد ثبت أن العديد من الأصباغ الأخرى سامة للخلايا. في الواقع، أظهر نوعان جديدان من الكاروتينات، تم عزلهما من إسفنجة تُسمى فاكيليا ستيليديرما، سمية خلوية طفيفة ضد خلايا سرطان الدم لدى الفئران. تشمل الأصباغ الأخرى ذات الاستخدامات الطبية السكيتونيمين ، والتوبسنتينات، والديبروموهيمينالديسين، والتي تُعد مركبات رائدة في مجال الالتهابات، والتهاب المفاصل الروماتويدي، وهشاشة العظام على التوالي. هناك أدلة على أن التوبسنتينات وسائط قوية للتضخم المناعي، وأن التوبسنتين والسكيتونيمين مثبطان قويان للالتهاب العصبي.