Les nanosphères photoniques aident les bébés coquillages à se cacher des prédateurs

Des chercheurs ont découvert un réflecteur à base de nanomatériaux qui recouvre les pigments oculaires de certains bébés crustacés. Les pigments, fabriqués à partir de minuscules sphères cristallines d'isoxanthoptérine, permettent aux animaux de devenir complètement transparents et ainsi de se cacher des prédateurs. Les structures pourraient inspirer le développement de matériaux photoniques artificiels biocompatibles.

De nombreuses créatures qui vivent dans l'océan semblent transparentes pour éviter de devenir des proies, mais leurs yeux peuvent les trahir car elles contiennent des pigments opaques. Pour mieux camoufler leurs yeux, de nombreux crustacés ont développé des réflecteurs qui recouvrent leurs pigments oculaires foncés, produisant un « eyeshine » qui réfléchit la lumière à des longueurs d'onde correspondant à celles de l'eau dans laquelle ils vivent, c'est-à-dire les longueurs d'onde de la lumière visible (400 à 750 nm ).

Dans leur nouvel ouvrage, détaillé dans Sciences, des chercheurs dirigés par Johannes Haataja des l'Université de Cambridge au Royaume-Uni et Benjamin Palmier De Université Ben Gurion en Israël, a utilisé la microscopie électronique à balayage optique et cryogénique pour étudier plusieurs espèces de crevettes et de crevettes, y compris les espèces d'eau douce Machrobrachium rosenbergi.

Ils ont découvert que la brillance des yeux est produite par des cellules hautement réfléchissantes fabriquées à partir d'un verre photonique contenant des nanosphères cristallines d'isoxanthoptérine à l'intérieur des yeux des crustacés. La couleur de l'éclat des yeux varie du bleu profond au vert/jaune selon la taille des nanosphères et la façon dont elles sont ordonnées. Cette modulation aide les créatures à «se fondre» avec différentes couleurs de fond, qui varient en fonction de l'heure de la journée et de la profondeur dans laquelle elles se trouvent, explique Palmer.

Une belle surprise

Comme cela arrive parfois en science, les chercheurs ont fait leur découverte un peu par hasard, car ils étudiaient initialement comment les cristaux d'isoxanthoptérine se forment chez certaines espèces de crevettes au cours de leur développement. En effet, dans des travaux antérieurs, ils avaient découvert que les crustacés décapodes adultes utilisaient un réflecteur rétrodiffusant (tapetum) situé derrière la rétine fabriqué à partir de ces cristaux pour augmenter la quantité de lumière qu'ils captent.

"Nous avons eu une bonne surprise, cependant, en ce sens que nous avons découvert que les crevettes larvaires utilisent également des réflecteurs cristallins - bien que dans un but optique très différent de celui des adultes", explique Palmer. "Notre travail est basé sur une étude précédente par un autre groupe qui a trouvé cet effet dans larves de crustacés stomatopodes. Nous avons également constaté que le phénomène de brillance des yeux est présent chez d'autres crustacés décapodes larvaires aux yeux de couleurs différentes.

Invisible sur le fond

Pour découvrir le matériau responsable de cette réflectance, l'équipe a utilisé la microscopie électronique à balayage cryogénique - une technique qui permet d'imager les tissus biologiques dans un état proche de la vie sans introduire d'artefacts résultant de la déshydratation des tissus biologiques humides. Les images obtenues ont montré que le réflecteur était constitué de sphères. Après un examen plus approfondi, en utilisant la tomographie électronique à transmission et la diffraction électronique, les chercheurs ont découvert que les sphères étaient constituées de cristaux d'isoxanthoptérine, tout comme dans les yeux des crustacés adultes.

"Cependant, dans le cas larvaire, la position anatomique et la fonction optique des sphères sont très différentes", explique Palmer. Monde de la physique. "Le réflecteur se trouve au-dessus des pigments absorbants dans l'œil et réfléchit la lumière loin des pigments oculaires visibles pour rendre les animaux invisibles sur le fond."

La clé du camouflage, dit-il, est la capacité de l'animal à contrôler la taille des sphères, qui, comme mentionné, détermine la couleur du réflecteur. Une partie essentielle de l'étude, ajoute-t-il, était le travail informatique effectué par Haataja et Lucas Schertel. "Leurs modèles tridimensionnels nous ont permis de tester l'effet de nombreux paramètres structurels sur les propriétés optiques du réflecteur, notamment la taille des particules, la fraction de remplissage des particules, la taille des cellules, la biréfringence des particules et le creux des particules", explique Palmer.

Biominéralisation organique

Les chercheurs disent qu'ils aimeraient maintenant mieux comprendre comment différents organismes utilisent des matériaux cristallins pour manipuler la lumière pour différentes fonctions. Ce domaine, connu sous le nom de biominéralisation organique, attire de plus en plus l'attention de la communauté, explique Palmer. Une question clé ici est de comprendre comment les organismes contrôlent la cristallisation de ces matériaux, dans le but de développer de nouvelles façons de synthétiser des équivalents artificiels à utiliser dans des applications du monde réel.

Les nanosphères de bactéries peuvent aider à camoufler de minuscules crustacés

"Bien que nous soyons plus préoccupés par la science fondamentale, il est très possible que des matériaux bio-inspirés soient générés à partir de cette étude", dit-il. « Les nanosphères d'isoxanthoptérine ont un indice de réfraction incroyablement élevé (environ 2.0 dans certaines directions cristallographiques), ce qui les rend extrêmement efficaces pour réfléchir la lumière. Et le fait que la couleur de la lumière réfléchie puisse être réglée en contrôlant la taille de la sphère en fait, en principe, des matériaux optiques très polyvalents.

Il y a actuellement beaucoup d'intérêt, ajoute Palmer, à remplacer les matériaux de diffusion inorganiques conventionnels (utilisés dans les additifs alimentaires, les peintures et les cosmétiques, par exemple) par des analogues organiques. "Le matériel décrit dans ce travail serait un excellent candidat, mais il y a beaucoup de choses fondamentales que nous devons d'abord apprendre."

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• La source: https://physicsworld.com/a/photonic-nanospheres-help-baby-shellfish-hide-from-predators/