นาโนสเฟียร์ของโทนิคช่วยให้ลูกหอยซ่อนตัวจากผู้ล่า

นาโนสเฟียร์ของโทนิคช่วยให้ลูกหอยซ่อนตัวจากผู้ล่า

ประทับเวลา: 7 มีนาคม 2023 4:50 น

ภาพจากกล้องจุลทรรศน์ของกุ้งตัวอ่อน
มองเห็นแต่มองไม่เห็น: ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงของกุ้งวัยอ่อน (ขอบคุณ: Keshet Shavit)

นักวิจัยได้ค้นพบตัวสะท้อนแสงที่ใช้วัสดุนาโนซึ่งซ้อนเม็ดสีดวงตาในสัตว์จำพวกครัสเตเชียนทารกบางชนิด เม็ดสีที่ทำจากผลึกทรงกลมเล็กๆ ของ isoxanthopterin ช่วยให้สัตว์เหล่านี้โปร่งใสอย่างสมบูรณ์และซ่อนตัวจากผู้ล่า โครงสร้างดังกล่าวสามารถสร้างแรงบันดาลใจในการพัฒนาวัสดุโทนิคประดิษฐ์ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ

สิ่งมีชีวิตจำนวนมากที่อาศัยอยู่ในมหาสมุทรมีลักษณะโปร่งใสเพื่อหลีกเลี่ยงการตกเป็นเหยื่อ แต่ดวงตาของพวกมันสามารถละสายตาได้เพราะมีเม็ดสีทึบแสง เพื่ออำพรางดวงตาของพวกมันให้ดีขึ้น สัตว์จำพวกครัสเตเชียจำนวนมากได้พัฒนาแผ่นสะท้อนแสงที่ปิดเม็ดสีตาสีเข้ม ทำให้เกิด "ประกายตา" ที่สะท้อนแสงที่ความยาวคลื่นที่ตรงกับความยาวคลื่นของแสงที่พวกมันอาศัยอยู่ นั่นคือ ความยาวคลื่นของแสงที่ตามองเห็น (400 ถึง 750 นาโนเมตร ).

ในผลงานใหม่ของพวกเขา รายละเอียดใน วิทยาศาสตร์,นักวิจัยนำโดย โยฮันเนส ฮาตาจา ของ มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ในสหราชอาณาจักรและ เบนจามิน พาล์มเมอร์ ราคาเริ่มต้นที่ มหาวิทยาลัย Ben Gurion ในอิสราเอล ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนด้วยแสงและไครโอเจนิกเพื่อศึกษากุ้งและกุ้งหลายชนิด รวมทั้งกุ้งน้ำจืด Macrobrachium rosenbergi.

พวกเขาพบว่าความสดใสของดวงตาเกิดจากเซลล์สะท้อนแสงสูงที่ทำจากแก้วโฟโตนิกที่มีผลึกไอโซแซนโธปเทอรินนาโนสเฟียร์อยู่ภายในดวงตาของสัตว์จำพวกครัสเตเชีย สีของอายไลเนอร์มีตั้งแต่สีน้ำเงินเข้มไปจนถึงสีเขียว/เหลือง ขึ้นอยู่กับขนาดของนาโนสเฟียร์และวิธีการเรียงลำดับ การปรับนี้ช่วยให้สิ่งมีชีวิต "กลมกลืน" กับสีพื้นหลังที่แตกต่างกัน ซึ่งแตกต่างกันไปตามช่วงเวลาของวันและความลึกที่พวกมันพบตัวเอง พาลเมอร์อธิบาย

เซอร์ไพรส์สุดๆ

อย่างที่บางครั้งเกิดขึ้นในทางวิทยาศาสตร์ นักวิจัยได้ค้นพบโดยบังเอิญ เนื่องจากพวกเขากำลังศึกษาว่าผลึกไอโซแซนโทปเทอรินก่อตัวอย่างไรในกุ้งบางสายพันธุ์ในขณะที่พวกมันพัฒนา ในงานก่อนหน้านี้ พวกเขาพบว่ากุ้งเดคาพอดที่โตเต็มวัยใช้ตัวสะท้อนแสงแบบกระจายกลับ (tapetum) ซึ่งอยู่ด้านหลังเรตินาที่ทำจากคริสตัลเหล่านี้เพื่อเพิ่มปริมาณแสงที่พวกมันจับได้

“เรามีความประหลาดใจที่ดี อย่างไรก็ตาม เราพบว่ากุ้งวัยอ่อนใช้ตัวสะท้อนแสงแบบผลึกด้วยเช่นกัน แม้ว่าจะมีวัตถุประสงค์ในการรับแสงที่แตกต่างกันมากสำหรับตัวเต็มวัยก็ตาม” พาลเมอร์อธิบาย “งานของเราอิงจากการศึกษาก่อนหน้านี้โดยกลุ่มอื่นที่พบผลกระทบนี้ใน ตัวอ่อนของกุ้งหัวโตพอด. นอกจากนี้เรายังพบว่าปรากฏการณ์อายไชน์นั้นพบได้ในสัตว์จำพวกครัสเตเชียนวัยอ่อนตัวอื่นๆ ที่มีดวงตาสีต่างกัน”

มองไม่เห็นพื้นหลัง

เพื่อค้นหาวัสดุที่รับผิดชอบการสะท้อนแสงนี้ ทีมงานได้ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนด้วยความเย็น ซึ่งเป็นเทคนิคที่ช่วยให้ถ่ายภาพเนื้อเยื่อชีวภาพในสภาวะใกล้เคียงกับชีวิตได้ โดยไม่ต้องแนะนำสิ่งประดิษฐ์ที่เกิดจากการขาดน้ำของเนื้อเยื่อชีวภาพที่เปียก ภาพที่ได้แสดงให้เห็นว่าแผ่นสะท้อนแสงทำจากทรงกลม เมื่อตรวจสอบอย่างใกล้ชิดโดยใช้การตรวจเอกซเรย์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านและการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน นักวิจัยพบว่าทรงกลมนั้นทำมาจากผลึกไอโซแซนโธปเทอริน เช่นเดียวกับในดวงตาของครัสเตเชียนที่โตเต็มวัย

“อย่างไรก็ตาม ในกรณีของตัวอ่อน ตำแหน่งทางกายวิภาคและการทำงานเชิงแสงของทรงกลมนั้นแตกต่างกันมาก” พาลเมอร์บอก โลกฟิสิกส์. "แผ่นสะท้อนแสงอยู่บนเม็ดสีที่ดูดซับในดวงตาและสะท้อนแสงออกจากเม็ดสีดวงตาที่เด่นชัดเพื่อทำให้สัตว์มองไม่เห็นจากพื้นหลัง"

ความสัมพันธ์ระหว่างสีอายไชน์กับขนาดอนุภาคนาโน
ตัวสะท้อนแสงที่ปรับค่าได้: สีอายไชน์มีความสัมพันธ์กับขนาดอนุภาคนาโน ด้านล่างแต่ละสีเป็นภาพตัวแทนของนาโนสเฟียร์ (ขอบคุณ: Keshet Shavit)

เขากล่าวว่ากุญแจสำคัญในการพรางตัวคือความสามารถของสัตว์ในการควบคุมขนาดของทรงกลมซึ่งกำหนดสีของแผ่นสะท้อนแสงตามที่กล่าวไว้ เขาเสริมส่วนสำคัญของการศึกษานี้คืองานด้านการคำนวณที่ดำเนินการโดย Haataja และ ลูคัส เชอร์เทล. “แบบจำลองสามมิติของพวกเขาช่วยให้เราสามารถทดสอบผลกระทบของพารามิเตอร์โครงสร้างจำนวนมากที่มีต่อคุณสมบัติทางแสงของตัวสะท้อนแสง รวมถึงขนาดอนุภาค เศษส่วนที่เติมอนุภาค ขนาดเซลล์ การหักเหของอนุภาคและความกลวงของอนุภาค” พาลเมอร์อธิบาย

ชีวแร่ธาตุอินทรีย์

นักวิจัยกล่าวว่าตอนนี้พวกเขาต้องการที่จะเข้าใจได้ดีขึ้นว่าสิ่งมีชีวิตต่างๆ ใช้วัสดุที่เป็นผลึกเพื่อควบคุมแสงสำหรับการทำงานที่แตกต่างกันอย่างไร ฟิลด์นี้เรียกว่าการทำให้เป็นแร่ธาตุทางชีวภาพ ซึ่งกำลังได้รับความสนใจมากขึ้นในชุมชน Palmer อธิบาย คำถามสำคัญในที่นี้คือการทำความเข้าใจว่าสิ่งมีชีวิตควบคุมการตกผลึกของวัสดุเหล่านี้อย่างไร โดยมีจุดประสงค์เพื่อพัฒนาวิธีการใหม่ในการสังเคราะห์สิ่งเทียบเท่าเทียมสำหรับใช้ในการใช้งานจริง

“แม้ว่าเราจะกังวลเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์พื้นฐานมากกว่า แต่ก็เป็นไปได้มากว่าอาจมีวัสดุที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพที่สร้างขึ้นจากการศึกษานี้” เขากล่าว “ไอโซแซนโทปเทอรินนาโนสเฟียร์มีดัชนีการหักเหของแสงสูงอย่างเหลือเชื่อ (ประมาณ 2.0 ในบางทิศทางของผลึกศาสตร์) ซึ่งทำให้พวกมันมีประสิทธิภาพอย่างมากในการสะท้อนแสง และข้อเท็จจริงที่ว่าสีสำหรับแสงสะท้อนสามารถปรับได้โดยการควบคุมขนาดทรงกลม ทำให้ตามหลักการแล้ว วัสดุออปติคอลเหล่านี้มีความหลากหลายมาก”

ปัจจุบันมีความสนใจอย่างมาก พาลเมอร์กล่าวเสริมในการแทนที่วัสดุกระจัดกระจายอนินทรีย์ทั่วไป (เช่น ใช้ในวัตถุเจือปนอาหาร สี และเครื่องสำอาง เป็นต้น) ด้วยอะนาลอกอินทรีย์ “เนื้อหาที่อธิบายในงานนี้จะเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยม แต่มีสิ่งพื้นฐานหลายอย่างที่เราต้องเรียนรู้ก่อน”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์