Fotonische nanosferen helpen babyschelpdieren zich te verbergen voor roofdieren

Onderzoekers hebben een op nanomateriaal gebaseerde reflector ontdekt die over de oogpigmenten in bepaalde babyschaaldieren ligt. De pigmenten, die zijn gemaakt van kleine kristallijne bolletjes isoxanthopterine, zorgen ervoor dat de dieren volledig transparant worden en zich zo verbergen voor roofdieren. De structuren kunnen de ontwikkeling van biocompatibele kunstmatige fotonische materialen inspireren.

Veel wezens die in de oceaan leven, lijken transparant om te voorkomen dat ze als prooi eindigen, maar hun ogen kunnen ze verraden omdat ze ondoorzichtige pigmenten bevatten. Om hun ogen beter te camoufleren, hebben veel schaaldieren reflectoren ontwikkeld die hun donkere oogpigmenten bedekken, waardoor een "oogglans" ontstaat die licht weerkaatst met golflengten die overeenkomen met die van het water waarin ze leven, dat wil zeggen de golflengten van zichtbaar licht (400 tot 750 nm ).

In hun nieuwe werk, gedetailleerd in Wetenschap, onderzoekers onder leiding van Johannes Haataja van de University of Cambridge in het VK en Benjamin Palmer oppompen van Ben Gurion University in Israël gebruikte optische en cryogene scanning-elektronenmicroscopie om verschillende soorten garnalen en garnalen te bestuderen, waaronder de zoetwatersoorten Machrobrachium rosenbergi.

Ze ontdekten dat de oogglans wordt geproduceerd door sterk reflecterende cellen gemaakt van een fotonisch glas met kristallijne isoxanthopterine-nanobolletjes aan de binnenkant van de ogen van de schaaldieren. De kleur van de oogschijn varieert van diepblauw tot groen/geel, afhankelijk van de grootte van de nanosferen en hoe ze gerangschikt zijn. Deze modulatie helpt de wezens "op te gaan" met verschillende achtergrondkleuren, die variëren afhankelijk van het tijdstip van de dag en de diepte waarin ze zich bevinden, legt Palmer uit.

Een leuke verrassing

Zoals soms gebeurt in de wetenschap, deden de onderzoekers hun ontdekking bij toeval - aangezien ze aanvankelijk bestudeerden hoe isoxanthopterine-kristallen zich vormen in bepaalde soorten garnalen terwijl ze zich ontwikkelen. In eerder werk hadden ze inderdaad ontdekt dat volwassen tienpotige schaaldieren een terugverstrooiende reflector (tapetum) gebruikten die achter het netvlies van deze kristallen lag om de hoeveelheid licht die ze opvangen te vergroten.

"We hadden echter een leuke verrassing omdat we ontdekten dat larvale garnalen ook kristallijne reflectoren gebruiken - zij het voor een heel ander optisch doel dan de volwassenen", legt Palmer uit. "Ons werk is gebaseerd op een eerder onderzoek door een andere groep die dit effect vond in larvale stomatopoden schaaldieren. We ontdekten ook dat het oogschijnverschijnsel aanwezig is bij andere larvale tienpotige schaaldieren met verschillend gekleurde ogen.”

Onzichtbaar tegen de achtergrond

Om het materiaal te ontdekken dat verantwoordelijk is voor deze reflectie, gebruikte het team cryogene scanning-elektronenmicroscopie - een techniek waarmee biologisch weefsel in een levensechte staat kan worden afgebeeld zonder artefacten te introduceren die het gevolg zijn van de uitdroging van nat biologisch weefsel. De verkregen beelden lieten zien dat de reflector uit bollen bestond. Bij nader onderzoek, met behulp van transmissie-elektronentomografie en elektronendiffractie, ontdekten de onderzoekers dat de bollen waren gemaakt van isoxanthopterinekristallen, net als in de ogen van volwassen schaaldieren.

"In het larvale geval is de anatomische positie en optische functie van de bollen echter heel anders", vertelt Palmer. Natuurkunde wereld. "De reflector zit bovenop de absorberende pigmenten in het oog en weerkaatst licht weg van de opvallende oogpigmenten om de dieren onzichtbaar te maken tegen de achtergrond."

De sleutel tot de camouflage, zegt hij, is het vermogen van het dier om de grootte van de bollen te beheersen, die, zoals gezegd, de kleur van de reflector bepaalt. Een cruciaal onderdeel van de studie, voegt hij eraan toe, was het computerwerk dat werd uitgevoerd door Haataja en Lucas Schertel. "Hun driedimensionale modellen stelden ons in staat om het effect van talrijke structurele parameters op de optische eigenschappen van de reflector te testen, waaronder deeltjesgrootte, deeltjesvulfractie, celgrootte, dubbele breking van deeltjes en holheid van deeltjes", legt Palmer uit.

Organische biomineralisatie

De onderzoekers zeggen dat ze nu beter willen begrijpen hoe verschillende organismen kristallijne materialen gebruiken om licht voor verschillende functies te manipuleren. Dit veld, bekend als organische biomineralisatie, krijgt steeds meer aandacht in de gemeenschap, legt Palmer uit. Een belangrijke vraag hier is om te begrijpen hoe organismen de kristallisatie van deze materialen beheersen, met als doel nieuwe manieren te ontwikkelen om kunstmatige equivalenten te synthetiseren voor gebruik in real-world toepassingen.

Nanobolletjes van bacteriën kunnen kleine schaaldieren helpen camoufleren

"Hoewel we ons meer bezighouden met de fundamentele wetenschap, is het heel goed mogelijk dat er bio-geïnspireerde materialen uit deze studie kunnen worden gegenereerd", zegt hij. “Isoxanthopterine-nanosferen hebben een ongelooflijk hoge brekingsindex (ongeveer 2.0 in bepaalde kristallografische richtingen), waardoor ze extreem efficiënt zijn in het reflecteren van licht. En het feit dat de kleur van het gereflecteerde licht kan worden afgestemd door de bolgrootte te regelen, maakt ze in principe zeer veelzijdige optische materialen.”

Er is momenteel veel belangstelling, voegt Palmer toe, om conventionele anorganische verstrooiingsmaterialen (bijvoorbeeld gebruikt in voedseladditieven, verf en cosmetica) te vervangen door organische analogen. "Het materiaal dat in dit werk wordt beschreven, zou een uitstekende kandidaat zijn, maar er zijn veel fundamentele dingen die we eerst moeten leren."

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/photonic-nanospheres-help-baby-shellfish-hide-from-predators/