Fotoniske nanosfærer hjelper babyskalldyr til å gjemme seg for rovdyr

Forskere har oppdaget en nanomaterialbasert reflektor som ligger over øyepigmentene i enkelte krepsdyr. Pigmentene, som er laget av bittesmå krystallinske kuler av isoxanthopterin, gjør at dyrene blir helt gjennomsiktige og gjemmer seg for rovdyr. Strukturene kan inspirere til utvikling av biokompatible kunstige fotoniske materialer.

Mange skapninger som lever i havet virker gjennomsiktige for å unngå å ende opp som byttedyr, men øynene deres kan gi dem bort fordi de inneholder ugjennomsiktige pigmenter. For å kamuflere øynene bedre, har mange krepsdyr utviklet reflektorer som dekker deres mørke øyepigmenter, og produserer en "øyeglans" som reflekterer lys ved bølgelengder som matcher de til vannet de lever i, det vil si bølgelengdene til synlig lys (400 til 750 nm) ).

I deres nye arbeid, detaljert i Vitenskap, forskere ledet av Johannes Haataja av University of Cambridge i Storbritannia og Benjamin Palmer fra Ben Gurion universitet i Israel brukte optisk og kryogen skanningselektronmikroskopi for å studere flere arter av reker og reker, inkludert ferskvannsartene Macrobrachium rosenbergi.

De fant at øyeskinnet produseres av svært reflekterende celler laget av et fotonisk glass som inneholder krystallinske isoxanthopterin nanosfærer på det indre av krepsdyrenes øyne. Øyeskinnsfargen varierer fra dyp blå til grønn/gul avhengig av størrelsen på nanosfærene og hvordan de er bestilt. Denne moduleringen hjelper skapningene å "glide inn" med forskjellige bakgrunnsfarger, som varierer avhengig av tidspunktet på dagen og dybden de befinner seg i, forklarer Palmer.

En hyggelig overraskelse

Som noen ganger skjer i vitenskapen, gjorde forskerne sin oppdagelse ganske ved en tilfeldighet - da de i utgangspunktet studerte hvordan isoxanthopterin-krystaller dannes i visse reker etter hvert som de utvikler seg. I tidligere arbeid hadde de faktisk funnet ut at de voksne decapod-krepsdyrene brukte en tilbakespredningsreflektor (tapetum) som lå bak netthinnen laget av disse krystallene for å øke mengden lys de fanger opp.

"Vi hadde en hyggelig overraskelse, men at vi fant ut at larvereker også bruker krystallinske reflektorer - om enn for et helt annet optisk formål enn de voksne," forklarer Palmer. "Vårt arbeid er basert på en tidligere studie av en annen gruppe som fant denne effekten i larve stomatopod krepsdyr. Vi fant også at øyeskinnsfenomenet er tilstede i andre larvedecapod krepsdyr med forskjellig fargede øyne.»

Usynlig mot bakgrunnen

For å oppdage materialet som er ansvarlig for denne reflektansen, brukte teamet kryogen-skannende elektronmikroskopi – en teknikk som gjør det mulig å avbilde biologisk vev i en livsnær tilstand uten å introdusere artefakter som følge av dehydrering av vått biologisk vev. Bildene som ble oppnådd viste at reflektoren var laget av kuler. Ved nærmere undersøkelse, ved hjelp av transmisjonselektrontomografi og elektrondiffraksjon, fant forskerne at kulene var laget av isoxanthopterin-krystaller, akkurat som i øyne hos voksne krepsdyr.

"Men i larvetilfellet er sfærenes anatomiske posisjon og optiske funksjon veldig forskjellig," forteller Palmer Fysikkens verden. "Reflektoren sitter på toppen av de absorberende pigmentene i øyet og reflekterer lyset bort fra de iøynefallende øyepigmentene for å gjøre dyrene usynlige mot bakgrunnen."

Nøkkelen til kamuflasjen, sier han, er dyrets evne til å kontrollere størrelsen på kulene, som som nevnt bestemmer fargen på reflektoren. En kritisk del av studien, legger han til, var beregningsarbeidet utført av Haataja og Lukas Schertel. "Deres tredimensjonale modeller tillot oss å teste effekten av en rekke strukturelle parametere på de optiske egenskapene til reflektoren, inkludert partikkelstørrelse, partikkelfyllingsfraksjon, cellestørrelse, partikkeldobbeltbrytning og partikkelhulhet," forklarer Palmer.

Organisk biomineralisering

Forskerne sier at de nå ønsker å forstå bedre hvordan ulike organismer bruker krystallinske materialer for å manipulere lys for ulike funksjoner. Dette feltet, kjent som organisk biomineralisering, får stadig mer oppmerksomhet i samfunnet, forklarer Palmer. Et sentralt spørsmål her er å forstå hvordan organismer kontrollerer krystalliseringen av disse materialene, med sikte på å utvikle nye måter å syntetisere kunstige ekvivalenter for bruk i virkelige applikasjoner.

Bakterier nanosfærer kan hjelpe med å kamuflere små krepsdyr

"Selv om vi er mer opptatt av den grunnleggende vitenskapen, er det veldig mulig at det kan være bioinspirerte materialer generert fra denne studien," sier han. "Isoxanthopterin nanosfærer har en utrolig høy brytningsindeks (rundt 2.0 i visse krystallografiske retninger), noe som gjør dem ekstremt effektive til å reflektere lys. Og det faktum at fargen for det reflekterte lyset kan justeres ved å kontrollere kulestørrelsen, gjør dem i prinsippet svært allsidige optiske materialer."

Det er for tiden stor interesse, legger Palmer til, for å erstatte konvensjonelle uorganiske spredningsmaterialer (brukt for eksempel i mattilsetningsstoffer, maling og kosmetikk) med organiske analoger. "Materialet beskrevet i dette arbeidet ville være en utmerket kandidat, men det er mange grunnleggende ting vi må lære først."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/photonic-nanospheres-help-baby-shellfish-hide-from-predators/