Fotoniske nanosfærer hjælper babyskaldyr med at skjule sig for rovdyr

Fotoniske nanosfærer hjælper babyskaldyr med at skjule sig for rovdyr

Tidsstempel: 7. marts 2023 kl. 4:50

Optiske mikroskopbilleder af larvekrebsdyr
At se, men ikke blive set: optiske mikroskopbilleder af larvekrebsdyr. (Med høflighed: Keshet Shavit)

Forskere har opdaget en nanomateriale-baseret reflektor, der ligger over øjenpigmenterne i visse baby krebsdyr. Pigmenterne, som er lavet af bittesmå krystallinske kugler af isoxanthopterin, gør det muligt for dyrene at blive helt gennemsigtige og dermed gemme sig for rovdyr. Strukturerne kunne inspirere til udvikling af biokompatible kunstige fotoniske materialer.

Mange væsner, der lever i havet, virker gennemsigtige for at undgå at ende som bytte, men deres øjne kan give dem væk, fordi de indeholder uigennemsigtige pigmenter. For bedre at camouflere deres øjne har mange krebsdyr udviklet reflektorer, der dækker deres mørke øjenpigmenter, og producerer et "øjenskin", der reflekterer lys ved bølgelængder, der svarer til vandets bølgelængder, det vil sige bølgelængderne af synligt lys (400 til 750 nm) ).

I deres nye værk, detaljeret i Videnskab, forskere ledet af Johannes Haataja af University of Cambridge i England og Benjamin Palmer fra Ben Gurion Universitet i Israel brugte optisk og kryogen scanningselektronmikroskopi til at studere flere arter af rejer og rejer, herunder ferskvandsarterne Macrobrachium rosenbergi.

De fandt ud af, at øjenskinnet er produceret af stærkt reflekterende celler lavet af et fotonisk glas indeholdende krystallinske isoxanthopterin nanosfærer på det indre af krebsdyrenes øjne. Øjenskinsfarven varierer fra dyb blå til grøn/gul afhængig af størrelsen på nanosfærerne og hvordan de er bestilt. Denne modulation hjælper væsnerne med at "blende ind" med forskellige baggrundsfarver, som varierer afhængigt af tidspunktet på dagen og den dybde, de befinder sig i, forklarer Palmer.

En dejlig overraskelse

Som det nogle gange sker i videnskaben, gjorde forskerne deres opdagelse helt tilfældigt - da de oprindeligt studerede, hvordan isoxanthopterin-krystaller dannes i visse arter af rejer, mens de udvikler sig. Faktisk havde de i tidligere arbejde fundet ud af, at de voksne decapod krebsdyr brugte en tilbagespredningsreflektor (tapetum), der lå bag nethinden lavet af disse krystaller for at øge mængden af ​​lys, de fanger.

"Vi havde en dejlig overraskelse, da vi fandt ud af, at larverejer også bruger krystallinske reflektorer - dog til et helt andet optisk formål end de voksne," forklarer Palmer. "Vores arbejde er baseret på en tidligere undersøgelse foretaget af en anden gruppe, som fandt denne effekt i larve stomatopod krebsdyr. Vi fandt også ud af, at øjenskinnefænomenet er til stede i andre larve decapod krebsdyr med forskellige farvede øjne."

Usynlig mod baggrunden

For at opdage materialet, der er ansvarligt for denne reflektans, brugte holdet kryogen-scanning elektronmikroskopi - en teknik, der gør det muligt at afbilde biologisk væv i en tilstand, der er tæt på livet, uden at introducere artefakter som følge af dehydrering af vådt biologisk væv. De opnåede billeder viste, at reflektoren var lavet af kugler. Ved nærmere undersøgelse, ved hjælp af transmissionselektrontomografi og elektrondiffraktion, fandt forskerne ud af, at kuglerne var lavet af isoxanthopterinkrystaller, ligesom i voksne krebsdyrøjne.

"Men i larvetilfældet er sfærernes anatomiske position og optiske funktion meget anderledes," fortæller Palmer Fysik verden. "Reflektoren sidder på toppen af ​​de absorberende pigmenter i øjet og reflekterer lyset væk fra de iøjnefaldende øjenpigmenter for at gøre dyrene usynlige mod baggrunden."

Korrelationen mellem øjenskinsfarve og nanopartikelstørrelse
Afstembar reflektor: øjenskinsfarven korrelerer med nanopartikelstørrelsen. Under hver farve er et repræsentativt billede af nanosfæren. (Med høflighed: Keshet Shavit)

Nøglen til camouflagen, siger han, er dyrets evne til at styre kuglernes størrelse, hvilket som nævnt bestemmer farven på reflektoren. En kritisk del af undersøgelsen, tilføjer han, var det beregningsmæssige arbejde udført af Haataja og Lukas Schertel. "Deres tredimensionelle modeller gjorde det muligt for os at teste effekten af ​​adskillige strukturelle parametre på reflektorens optiske egenskaber, herunder partikelstørrelse, partikelfyldningsfraktion, cellestørrelse, partikeldobbeltbrydning og partikelhulhed," forklarer Palmer.

Organisk biomineralisering

Forskerne siger, at de nu gerne vil forstå bedre, hvordan forskellige organismer bruger krystallinske materialer til at manipulere lys til forskellige funktioner. Dette felt, kendt som organisk biomineralisering, får stadig mere opmærksomhed i samfundet, forklarer Palmer. Et nøglespørgsmål her er at forstå, hvordan organismer styrer krystalliseringen af ​​disse materialer, med det formål at udvikle nye måder at syntetisere kunstige ækvivalenter til brug i virkelige applikationer.

"Selvom vi er mere optaget af den grundlæggende videnskab, er det meget muligt, at der kunne være bio-inspirerede materialer genereret fra denne undersøgelse," siger han. "Isoxanthopterin nanosfærer har et utroligt højt brydningsindeks (omkring 2.0 i visse krystallografiske retninger), hvilket gør dem ekstremt effektive til at reflektere lys. Og det faktum, at farven for det reflekterede lys kan indstilles ved at styre kuglestørrelsen, gør dem i princippet til meget alsidige optiske materialer.”

Der er i øjeblikket stor interesse, tilføjer Palmer, for at erstatte konventionelle uorganiske spredningsmaterialer (brugt i f.eks. fødevaretilsætningsstoffer, maling og kosmetik) med organiske analoger. "Det materiale, der er beskrevet i dette arbejde, ville være en fremragende kandidat, men der er mange grundlæggende ting, vi skal lære først."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden