Фотонні наносфери допомагають дитинчатам молюсків ховатися від хижаків

Дослідники виявили відбивач на основі наноматеріалів, який покриває пігменти очей у деяких дитинчат ракоподібних. Пігменти, виготовлені з крихітних кристалічних сфер ізоксантоптерину, дозволяють тваринам стати повністю прозорими і таким чином ховатися від хижаків. Ці структури можуть надихнути на розробку біосумісних штучних фотонних матеріалів.

Багато істот, які живуть в океані, здаються прозорими, щоб не стати здобиччю, але їхні очі можуть їх видавати, оскільки вони містять непрозорі пігменти. Щоб краще замаскувати свої очі, багато ракоподібних розробили рефлектори, які покривають їхні темні пігменти очей, створюючи «блиск очей», який відбиває світло з довжинами хвиль, що збігаються з довжинами хвиль води, в якій вони живуть, тобто довжинами хвиль видимого світла (від 400 до 750 нм). ).

У своїй новій роботі, докладно в наука, дослідники під керівництвом Йоганнес Хаатая в Кембриджський університет у Великобританії та Росії Бенджамін Палмер від Університет Бен-Гуріона в Ізраїлі використовували оптичну та кріогенну скануючу електронну мікроскопію для вивчення кількох видів креветок і креветок, у тому числі прісноводних. Machrobrachium rosenbergi.

Вони виявили, що блиск очей створюється високовідбиваючими клітинами, виготовленими з фотонного скла, що містить кристалічні наносфери ізоксантоптерину всередині очей ракоподібних. Колір блиску для очей коливається від темно-синього до зелено-жовтого залежно від розміру наносфер і способу їх розташування. Ця модуляція допомагає істотам «зливатися» з різними кольорами фону, які змінюються залежно від часу доби та глибини, на якій вони знаходяться, пояснює Палмер.

Приємний сюрприз

Як іноді буває в науці, дослідники зробили своє відкриття абсолютно випадково – спочатку вони вивчали, як кристали ізоксантоптерину утворюються в певних видах креветок під час їх розвитку. Дійсно, у попередній роботі вони виявили, що дорослі десятиногі ракоподібні використовували рефлектор зворотного розсіювання (тапетум), який лежить позаду сітківки, виготовленої з цих кристалів, щоб збільшити кількість світла, яке вони вловлюють.

«Однак нас приємно здивувало те, що ми виявили, що личинки креветок також використовують кристалічні відбивачі – хоча й для оптичних цілей, які дуже відрізняються від дорослих», – пояснює Палмер. «Наша робота базується на попередньому дослідженні іншої групи, яка виявила цей ефект у личинки стоматодних ракоподібних. Ми також виявили, що феномен блиску очей присутній у інших личинок десятиногих ракоподібних з очима різного кольору».

Невидимий на тлі

Щоб виявити матеріал, відповідальний за цей коефіцієнт відбиття, команда використала кріогенну скануючу електронну мікроскопію – техніку, яка дозволяє отримати зображення біологічної тканини в стані, близькому до живого, без введення артефактів, що є результатом дегідратації вологої біологічної тканини. Отримані зображення показали, що рефлектор зроблений зі сфер. Після більш детального вивчення, використовуючи трансмісійну електронну томографію та дифракцію електронів, дослідники виявили, що сфери зроблені з кристалів ізоксантоптерину, як і в очах дорослих ракоподібних.

«Однак у випадку личинок анатомічне положення та оптична функція сфер дуже різні», — розповідає Палмер. Світ фізики. «Рефлектор розташований поверх поглинаючих пігментів в оці та відбиває світло від помітних пігментів очей, щоб зробити тварин непомітними на тлі».

За його словами, ключем до камуфляжу є здатність тварини контролювати розмір куль, який, як уже згадувалося, визначає колір відбивача. Критичною частиною дослідження, додає він, була обчислювальна робота, виконана Хаатаджа та Лукас Шертель. «Їхні тривимірні моделі дозволили нам перевірити вплив численних структурних параметрів на оптичні властивості відбивача, включаючи розмір частинок, частку заповнення частинками, розмір комірки, подвійне променезаломлення частинок і порожнистість частинок», — пояснює Палмер.

Органічна біомінералізація

Дослідники кажуть, що тепер вони хотіли б краще зрозуміти, як різні організми використовують кристалічні матеріали для маніпулювання світлом для різних функцій. Ця сфера, відома як органічна біомінералізація, привертає дедалі більше уваги в спільноті, пояснює Палмер. Ключове питання тут полягає в тому, щоб зрозуміти, як організми контролюють кристалізацію цих матеріалів, з метою розробки нових способів синтезу штучних еквівалентів для використання в реальних програмах.

Наносфери бактерій можуть допомогти замаскувати крихітних ракоподібних

«Хоча ми більше стурбовані фундаментальною наукою, цілком можливо, що в результаті цього дослідження можуть бути отримані біобіологічні матеріали», — каже він. «Наносфери ізоксантоптерину мають неймовірно високий показник заломлення (близько 2.0 у певних кристалографічних напрямках), що робить їх надзвичайно ефективними у відображенні світла. І той факт, що колір відбитого світла можна налаштувати, керуючи розміром сфери, робить їх, в принципі, дуже універсальними оптичними матеріалами».

Палмер додає, що зараз існує великий інтерес до заміни звичайних неорганічних розсіювальних матеріалів (наприклад, які використовуються в харчових добавках, фарбах і косметиці) органічними аналогами. «Матеріал, описаний у цій роботі, був би чудовим кандидатом, але є багато фундаментальних речей, які ми повинні вивчити спочатку».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/photonic-nanospheres-help-baby-shellfish-hide-from-predators/