Οι φωτονικές νανοσφαίρες βοηθούν τα μωρά οστρακοειδή να κρύβονται από τα αρπακτικά

Οι ερευνητές ανακάλυψαν έναν ανακλαστήρα που βασίζεται σε νανοϋλικά που επικαλύπτει τις χρωστικές των ματιών σε ορισμένα μωρά καρκινοειδή. Οι χρωστικές ουσίες, οι οποίες είναι φτιαγμένες από μικροσκοπικές κρυσταλλικές σφαίρες ισοξανθοπτερίνης, επιτρέπουν στα ζώα να γίνουν εντελώς διαφανή και έτσι να κρύβονται από τα αρπακτικά. Οι δομές θα μπορούσαν να εμπνεύσουν την ανάπτυξη βιοσυμβατών τεχνητών φωτονικών υλικών.

Πολλά πλάσματα που ζουν στον ωκεανό φαίνονται διαφανή για να αποφύγουν να καταλήξουν ως θήραμα, αλλά τα μάτια τους μπορούν να τα δώσουν επειδή περιέχουν αδιαφανείς χρωστικές ουσίες. Για να καλύψουν καλύτερα τα μάτια τους, πολλά καρκινοειδή έχουν αναπτύξει ανακλαστήρες που καλύπτουν τις σκούρες χρωστικές των ματιών τους, παράγοντας μια «γυαλάδα ματιών» που αντανακλά το φως σε μήκη κύματος που ταιριάζουν με αυτά του νερού στο οποίο ζουν, δηλαδή με τα μήκη κύματος του ορατού φωτός (400 έως 750 nm ).

Στη νέα τους δουλειά, αναλυτικά στο Επιστήμη, ερευνητές με επικεφαλής Johannes Haataja του Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ στο Ηνωμένο Βασίλειο και το Ηνωμένο Βασίλειο Μπέντζαμιν Πάλμερ από Πανεπιστήμιο Μπεν Γκουριόν στο Ισραήλ, χρησιμοποίησε οπτική και κρυογονική ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης για τη μελέτη πολλών ειδών γαρίδων και γαρίδων, συμπεριλαμβανομένων των ειδών του γλυκού νερού Machrobrachium rosenbergi.

Διαπίστωσαν ότι η λάμψη των ματιών παράγεται από κύτταρα υψηλής ανακλαστικότητας κατασκευασμένα από φωτονικό γυαλί που περιέχει κρυσταλλικές νανοσφαίρες ισοξανθοπτερίνης στο εσωτερικό των ματιών των καρκινοειδών. Το χρώμα της λάμψης των ματιών κυμαίνεται από βαθύ μπλε έως πράσινο/κίτρινο ανάλογα με το μέγεθος των νανοσφαιρών και τον τρόπο παραγγελίας τους. Αυτή η διαμόρφωση βοηθά τα πλάσματα να «συνδυάζονται» με διαφορετικά χρώματα φόντου, τα οποία ποικίλλουν ανάλογα με την ώρα της ημέρας και το βάθος στο οποίο βρίσκονται, εξηγεί ο Palmer.

Ωραία έκπληξη

Όπως συμβαίνει μερικές φορές στην επιστήμη, οι ερευνητές έκαναν την ανακάλυψή τους εντελώς τυχαία - καθώς αρχικά μελετούσαν πώς σχηματίζονται οι κρύσταλλοι ισοξανθοπτερίνης σε ορισμένα είδη γαρίδων καθώς αναπτύσσονται. Πράγματι, σε προηγούμενη εργασία, είχαν ανακαλύψει ότι τα ενήλικα δεκάποδα καρκινοειδή χρησιμοποιούσαν έναν ανακλαστήρα οπισθοσκέδασης (tapetum) που βρισκόταν πίσω από τον αμφιβληστροειδή που φτιάχτηκε από αυτούς τους κρυστάλλους για να αυξήσουν την ποσότητα φωτός που συλλαμβάνουν.

«Είχαμε μια ωραία έκπληξη, ωστόσο, καθώς διαπιστώσαμε ότι οι γαρίδες προνυμφών χρησιμοποιούν επίσης κρυσταλλικούς ανακλαστήρες – αν και για έναν πολύ διαφορετικό οπτικό σκοπό από τους ενήλικες», εξηγεί ο Palmer. «Η εργασία μας βασίζεται σε μια προηγούμενη μελέτη από μια άλλη ομάδα που βρήκε αυτή την επίδραση προνύμφες στοματόποδα καρκινοειδή. Βρήκαμε επίσης ότι το φαινόμενο της λάμψης των ματιών είναι παρόν και σε άλλα μαλακόστρακα προνυμφών δεκάποδων με διαφορετικά χρωματιστά μάτια».

Αόρατο στο φόντο

Για να ανακαλύψει το υλικό που ευθύνεται για αυτή την ανάκλαση, η ομάδα χρησιμοποίησε ηλεκτρονική μικροσκοπία κρυογονικής σάρωσης - μια τεχνική που επιτρέπει στον βιολογικό ιστό να απεικονιστεί σε κατάσταση σχεδόν όψης χωρίς να εισάγει τεχνουργήματα που προκύπτουν από την αφυδάτωση υγρού βιολογικού ιστού. Οι εικόνες που ελήφθησαν έδειξαν ότι ο ανακλαστήρας ήταν φτιαγμένος από σφαίρες. Μετά από πιο προσεκτική εξέταση, χρησιμοποιώντας τομογραφία ηλεκτρονίων μετάδοσης και περίθλαση ηλεκτρονίων, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι σφαίρες κατασκευάστηκαν από κρυστάλλους ισοξανθοπτερίνης, όπως ακριβώς στα μάτια των ενήλικων καρκινοειδών.

«Ωστόσο, στην περίπτωση των προνυμφών, η ανατομική θέση και η οπτική λειτουργία των σφαιρών είναι πολύ διαφορετική», λέει ο Palmer. Κόσμος Φυσικής. «Ο ανακλαστήρας κάθεται πάνω από τις απορροφητικές χρωστικές στο μάτι και αντανακλά το φως μακριά από τις εμφανείς χρωστικές των ματιών για να κάνει τα ζώα αόρατα στο φόντο».

Το κλειδί για το καμουφλάζ, λέει, είναι η ικανότητα του ζώου να ελέγχει το μέγεθος των σφαιρών, κάτι που, όπως αναφέρθηκε, καθορίζει το χρώμα του ανακλαστήρα. Ένα κρίσιμο μέρος της μελέτης, προσθέτει, ήταν η υπολογιστική εργασία που εκτέλεσε ο Haataja και Λούκας Σέρτελ. «Τα τρισδιάστατα μοντέλα τους μας επέτρεψαν να δοκιμάσουμε την επίδραση πολλών δομικών παραμέτρων στις οπτικές ιδιότητες του ανακλαστήρα, συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους σωματιδίων, του κλάσματος πλήρωσης σωματιδίων, του μεγέθους κυψέλης, της διπλής διάθλασης σωματιδίων και της κοιλότητας των σωματιδίων», εξηγεί ο Palmer.

Οργανική βιομεταλλοποίηση

Οι ερευνητές λένε ότι θα ήθελαν τώρα να κατανοήσουν καλύτερα πώς διαφορετικοί οργανισμοί χρησιμοποιούν κρυσταλλικά υλικά για να χειριστούν το φως για διαφορετικές λειτουργίες. Αυτό το πεδίο, γνωστό ως οργανική βιομεταλλοποίηση, συγκεντρώνει ολοένα και μεγαλύτερη προσοχή στην κοινότητα, εξηγεί ο Palmer. Ένα βασικό ερώτημα εδώ είναι να κατανοήσουμε πώς οι οργανισμοί ελέγχουν την κρυστάλλωση αυτών των υλικών, με στόχο την ανάπτυξη νέων τρόπων σύνθεσης τεχνητών ισοδυνάμων για χρήση σε πραγματικές εφαρμογές.

Οι νανοσφαίρες των βακτηρίων μπορεί να βοηθήσουν στο καμουφλάζ των μικροσκοπικών καρκινοειδών

«Ενώ μας απασχολεί περισσότερο η θεμελιώδης επιστήμη, είναι πολύ πιθανό να υπάρχουν βιο-εμπνευσμένα υλικά που παράγονται από αυτή τη μελέτη», λέει. «Οι νανοσφαίρες ισοξανθοπτερίνης έχουν απίστευτα υψηλό δείκτη διάθλασης (περίπου 2.0 σε ορισμένες κρυσταλλογραφικές κατευθύνσεις), γεγονός που τις καθιστά εξαιρετικά αποτελεσματικές στην ανάκλαση του φωτός. Και το γεγονός ότι το χρώμα για το ανακλώμενο φως μπορεί να συντονιστεί ελέγχοντας το μέγεθος της σφαίρας τα καθιστά, καταρχήν, πολύ ευέλικτα οπτικά υλικά».

Επί του παρόντος, υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον, προσθέτει ο Palmer, για την αντικατάσταση των συμβατικών ανόργανων υλικών διασποράς (που χρησιμοποιούνται σε πρόσθετα τροφίμων, χρώματα και καλλυντικά, για παράδειγμα) με οργανικά ανάλογα. «Το υλικό που περιγράφεται σε αυτή την εργασία θα ήταν εξαιρετικός υποψήφιος, αλλά υπάρχουν πολλά θεμελιώδη πράγματα που πρέπει να μάθουμε πρώτα».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/photonic-nanospheres-help-baby-shellfish-hide-from-predators/