Nanosfery fotoniczne pomagają młodym skorupiakom ukrywać się przed drapieżnikami

Naukowcy odkryli oparty na nanomateriałach reflektor, który pokrywa pigmenty oczu niektórych młodych skorupiaków. Pigmenty, które są wykonane z maleńkich krystalicznych kulek izoksantopteryny, pozwalają zwierzętom stać się całkowicie przezroczystymi, a tym samym ukryć się przed drapieżnikami. Struktury mogą zainspirować rozwój biokompatybilnych sztucznych materiałów fotonicznych.

Wiele stworzeń żyjących w oceanie wydaje się przezroczystych, aby uniknąć stania się ofiarą, ale ich oczy mogą je zdradzić, ponieważ zawierają nieprzezroczyste pigmenty. Aby lepiej zakamuflować swoje oczy, wiele skorupiaków rozwinęło reflektory, które zakrywają pigmenty ich ciemnych oczu, wytwarzając „połysk”, który odbija światło o długości fali odpowiadającej długości fali wody, w której żyją, czyli długości fali światła widzialnego (400 do 750 nm ).

W swojej nowej pracy, wyszczególnionej w nauka, naukowcy pod kierunkiem Johannesa Haataji ukończenia University of Cambridge w Wielkiej Brytanii i Benjamina Palmera od Uniwersytet Ben Guriona w Izraelu wykorzystali optyczną i kriogeniczną skaningową mikroskopię elektronową do zbadania kilku gatunków krewetek, w tym gatunków słodkowodnych Macrobrachium rosenbergi.

Odkryli, że blask oczu jest wytwarzany przez wysoce odblaskowe komórki wykonane ze szkła fotonicznego zawierającego krystaliczne nanosfery izoksanthopteryny na wewnętrznej stronie oczu skorupiaków. Kolor połysku waha się od ciemnoniebieskiego do zielono-żółtego, w zależności od wielkości nanosfer i ich uporządkowania. Ta modulacja pomaga stworzeniom „wtapiać się” w różne kolory tła, które różnią się w zależności od pory dnia i głębokości, w jakiej się znajdują, wyjaśnia Palmer.

Miła niespodzianka

Jak to czasem bywa w nauce, naukowcy dokonali tego odkrycia całkiem przypadkowo – początkowo badali, jak tworzą się kryształy izoksantopteryny w niektórych gatunkach krewetek w miarę ich rozwoju. Rzeczywiście, w poprzedniej pracy odkryli, że te dorosłe skorupiaki dziesięcionogowe używały reflektora rozpraszającego wstecz (tapetum) leżącego za siatkówką wykonaną z tych kryształów, aby zwiększyć ilość przechwytywanego światła.

„Mieliśmy jednak miłą niespodziankę, ponieważ odkryliśmy, że krewetki larwalne również używają reflektorów krystalicznych – choć w zupełnie innym celu optycznym niż dorosłe” – wyjaśnia Palmer. „Nasza praca opiera się na poprzednim badaniu przeprowadzonym przez inną grupę, która znalazła ten efekt w larwy skorupiaków stomatopodów. Odkryliśmy również, że zjawisko połysku oczu występuje u innych larwalnych skorupiaków dziesięcionogowych o różnokolorowych oczach”.

Niewidoczny na tle

Aby odkryć materiał odpowiedzialny za to odbicie, zespół wykorzystał kriogeniczną skaningową mikroskopię elektronową – technikę, która umożliwia obrazowanie tkanki biologicznej w stanie zbliżonym do życia bez wprowadzania artefaktów wynikających z odwodnienia mokrej tkanki biologicznej. Uzyskane obrazy pokazały, że odbłyśnik składa się z kul. Po dokładniejszym zbadaniu za pomocą transmisyjnej tomografii elektronowej i dyfrakcji elektronów naukowcy odkryli, że kule zostały wykonane z kryształów izoksantopteryny, podobnie jak oczy dorosłych skorupiaków.

„Jednakże w przypadku larw anatomiczne położenie i funkcja optyczna kul są bardzo różne” – mówi Palmer. Świat Fizyki. „Odbłyśnik znajduje się na absorbujących pigmentach w oku i odbija światło od rzucających się w oczy pigmentów oka, aby zwierzęta były niewidoczne na tle”.

Mówi, że kluczem do kamuflażu jest zdolność zwierzęcia do kontrolowania rozmiaru kul, co, jak wspomniano, określa kolor reflektora. Dodaje, że kluczową częścią badania była praca obliczeniowa wykonana przez Haataja i Łukasz Szertel. „Ich trójwymiarowe modele pozwoliły nam przetestować wpływ wielu parametrów strukturalnych na właściwości optyczne odbłyśnika, w tym rozmiar cząstek, frakcję wypełnienia cząsteczkami, rozmiar komórki, dwójłomność cząstek i pustą cząsteczkę” – wyjaśnia Palmer.

Biomineralizacja organiczna

Naukowcy twierdzą, że chcieliby teraz lepiej zrozumieć, w jaki sposób różne organizmy wykorzystują materiały krystaliczne do manipulowania światłem dla różnych funkcji. Ta dziedzina, znana jako biomineralizacja organiczna, cieszy się coraz większym zainteresowaniem społeczności, wyjaśnia Palmer. Kluczową kwestią jest tutaj zrozumienie, w jaki sposób organizmy kontrolują krystalizację tych materiałów, w celu opracowania nowych sposobów syntezy sztucznych odpowiedników do wykorzystania w rzeczywistych zastosowaniach.

Nanosfery bakteryjne mogą pomóc w kamuflowaniu maleńkich skorupiaków

„Chociaż bardziej interesują nas nauki podstawowe, jest bardzo możliwe, że w wyniku tych badań mogą powstać materiały inspirowane biologią” – mówi. „Nanosfery izoksanthopteryny mają niewiarygodnie wysoki współczynnik załamania światła (około 2.0 w ​​pewnych kierunkach krystalograficznych), co czyni je niezwykle skutecznymi w odbijaniu światła. A fakt, że kolor odbitego światła można dostroić poprzez kontrolowanie rozmiaru kuli, sprawia, że ​​są to w zasadzie bardzo uniwersalne materiały optyczne”.

Palmer dodaje, że obecnie istnieje duże zainteresowanie zastępowaniem konwencjonalnych nieorganicznych materiałów rozpraszających (stosowanych na przykład w dodatkach do żywności, farbach i kosmetykach) organicznymi odpowiednikami. „Materiał opisany w tej pracy byłby doskonałym kandydatem, ale jest wiele podstawowych rzeczy, których musimy się najpierw nauczyć”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/photonic-nanospheres-help-baby-shellfish-hide-from-predators/