Фотонные наносферы помогают моллюскам прятаться от хищников

Исследователи обнаружили отражатель на основе наноматериала, который покрывает глазной пигмент у некоторых детенышей ракообразных. Пигменты, состоящие из крошечных кристаллических сфер изоксантоптерина, позволяют животным становиться полностью прозрачными и таким образом прятаться от хищников. Эти структуры могут вдохновить на разработку биосовместимых искусственных фотонных материалов.

Многие существа, живущие в океане, кажутся прозрачными, чтобы не стать добычей, но их глаза могут их выдать, потому что они содержат непрозрачные пигменты. Чтобы лучше замаскировать свои глаза, многие ракообразные разработали отражатели, которые покрывают их темные глазные пигменты, создавая «блеск для глаз», который отражает свет с длинами волн, соответствующими длинам волн воды, в которой они живут, то есть с длинами волн видимого света (от 400 до 750 нм). ).

В своей новой работе, подробно описанной в Наука, исследователи под руководством Йоханнес Хаатаджа Кембриджский университет в Великобритании и Бенджамин Палмер от Университет Бен-Гуриона в Израиле использовали оптическую и криогенную сканирующую электронную микроскопию для изучения нескольких видов креветок и креветок, в том числе пресноводных видов Макробрахиум розенберги.

Они обнаружили, что блеск для глаз создается клетками с высокой отражающей способностью, сделанными из фотонного стекла, содержащего кристаллические наносферы изоксантоптерина, на внутренней части глаз ракообразных. Цвет блеска для глаз варьируется от темно-синего до зеленого/желтого в зависимости от размера наносфер и их расположения. Эта модуляция помогает существам «слиться» с разными фоновыми цветами, которые меняются в зависимости от времени суток и глубины, в которой они находятся, объясняет Палмер.

приятный сюрприз

Как это иногда бывает в науке, исследователи сделали свое открытие совершенно случайно — изначально они изучали, как образуются кристаллы изоксантоптерина у определенных видов креветок по мере их развития. Действительно, в предыдущей работе они обнаружили, что взрослые десятиногие ракообразные использовали рефлектор обратного рассеяния (тапетум), расположенный за сетчаткой, сделанный из этих кристаллов, чтобы увеличить количество света, которое они захватывают.

«Однако нас приятно удивило то, что мы обнаружили, что личинки креветок также используют кристаллические отражатели, хотя и для совершенно иных оптических целей, чем взрослые особи», — объясняет Палмер. «Наша работа основана на предыдущем исследовании другой группы, которая обнаружила этот эффект в личинки ротоногих ракообразных. Мы также обнаружили, что феномен блеска глаз присутствует у других личинок десятиногих ракообразных с разноцветными глазами».

Незаметен на фоне

Чтобы обнаружить материал, ответственный за эту отражательную способность, команда использовала криогенную сканирующую электронную микроскопию — метод, который позволяет визуализировать биологические ткани в состоянии, близком к жизни, без внесения артефактов, возникающих в результате обезвоживания влажной биологической ткани. Полученные изображения показали, что отражатель сделан из сфер. При ближайшем рассмотрении с помощью просвечивающей электронной томографии и дифракции электронов исследователи обнаружили, что сферы были сделаны из кристаллов изоксантоптерина, как и в глазах взрослых ракообразных.

«Однако в личиночном случае анатомическое положение и оптическая функция сфер сильно отличаются», — говорит Палмер. Мир физики. «Рефлектор находится поверх поглощающих пигментов в глазу и отражает свет от заметных глазных пигментов, делая животных невидимыми на фоне».

Ключом к маскировке, по его словам, является способность животного контролировать размер сфер, который, как уже упоминалось, определяет цвет отражателя. Он добавляет, что важной частью исследования была вычислительная работа, выполненная Хаатаей и Лукас Шертель. «Их трехмерные модели позволили нам протестировать влияние многочисленных структурных параметров на оптические свойства отражателя, включая размер частиц, долю заполнения частицами, размер ячеек, двойное лучепреломление и пустотность частиц», — объясняет Палмер.

Органическая биоминерализация

Исследователи говорят, что теперь они хотели бы лучше понять, как разные организмы используют кристаллические материалы, чтобы манипулировать светом для различных функций. Палмер объясняет, что эта область, известная как органическая биоминерализация, привлекает все больше внимания в обществе. Ключевым вопросом здесь является понимание того, как организмы контролируют кристаллизацию этих материалов, с целью разработки новых способов синтеза искусственных эквивалентов для использования в реальных приложениях.

Наносферы бактерий могут помочь замаскировать крошечных ракообразных

«Хотя нас больше интересует фундаментальная наука, вполне возможно, что в результате этого исследования могут быть созданы биологические материалы», — говорит он. «Наносферы изоксантоптерина имеют невероятно высокий показатель преломления (около 2.0 в определенных кристаллографических направлениях), что делает их чрезвычайно эффективными при отражении света. А тот факт, что цвет отраженного света можно настроить, контролируя размер сферы, делает их, в принципе, очень универсальными оптическими материалами».

Палмер добавляет, что в настоящее время существует большой интерес к замене обычных неорганических рассеивающих материалов (используемых, например, в пищевых добавках, красках и косметике) органическими аналогами. «Материал, описанный в этой работе, был бы отличным кандидатом, но есть много фундаментальных вещей, которые нам нужно изучить в первую очередь».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/photonic-nanospheres-help-baby-shellfish-hide-from-predators/