Πώς χρωματίζονται τα ζώα με δομές νανοκλίμακας

Παγώνια, χαμαιλέοντες πάνθηρες, κόκκινα μακό, ψάρια κλόουν, τουκάν, χταπόδια με μπλε δακτυλίους και τόσα άλλα:Το ζωικό βασίλειο έχει αμέτρητους κατοίκους με εξαιρετικά πολύχρωμη ομορφιά. Αλλά σε πολλές περιπτώσεις, οι επιστήμονες γνωρίζουν πολύ περισσότερα για το πώς τα ζώα χρησιμοποιούν τα χρώματά τους παρά για το πώς τα φτιάχνουν. Η νέα εργασία συνεχίζει να αποκαλύπτει αυτά τα μυστικά, τα οποία συχνά εξαρτώνται από τη φανταστικά ακριβή αυτοσυναρμολόγηση μικροσκοπικών χαρακτηριστικών μέσα και πάνω στα φτερά, τα λέπια, τα μαλλιά και το δέρμα - γεγονός που κάνει τις απαντήσεις πολύ ενδιαφέρουσες για τους φυσικούς και τους μηχανικούς της μαλακής ύλης στη φωτονική βιομηχανία.

Πολλά από τα χρώματα που φαίνονται στη φύση, ιδιαίτερα στο φυτικό βασίλειο, παράγονται από χρωστικές ουσίες, οι οποίες αντανακλούν ένα μέρος του φάσματος φωτός ενώ απορροφούν το υπόλοιπο. Οι πράσινες χρωστικές όπως η χλωροφύλλη αντανακλούν το πράσινο μέρος του φάσματος, αλλά απορροφούν τα μεγαλύτερα κόκκινα και κίτρινα μήκη κύματος καθώς και τα μικρότερα μπλε. Ποια συγκεκριμένα μήκη κύματος αντανακλώνται ή απορροφώνται εξαρτάται από τη μοριακή σύνθεση της χρωστικής και τις ακριβείς αποστάσεις μεταξύ των ατόμων στις μοριακές της δομές.

Επειδή τα φυτά είναι κύριοι της βιοχημικής σύνθεσης, τα κύτταρά τους μπορούν να επινοήσουν πολλούς τύπους χρωστικών, αλλά τα ζώα σε γενικές γραμμές έχουν χάσει τις μεταβολικές οδούς για να παράγουν τις περισσότερες από αυτές. Η μελανίνη, η κυρίαρχη χρωστική ουσία στα ζώα, είναι είτε καφέ (ευμελανίνη) είτε κοκκινοκίτρινη (φαιομελανίνη) - μια μάλλον περιορισμένη παλέτα. Για να φτιάξουν το πλουσιότερο ουράνιο τόξο χρωμάτων που χρειάζονται για τη διακόσμηση και τη μεταμφίεση, για να φλερτάρουν τους συντρόφους τους και να αποκρούσουν τα αρπακτικά, τα ζώα μπορούν συχνά να λάβουν τις απαραίτητες χρωστικές από τη διατροφή τους. Τα έντονα κόκκινα και κίτρινα των πτηνών, για παράδειγμα, προέρχονται κυρίως από καροτενοειδή χρωστικές στην τροφή τους.

Το μπλε άκρο του φάσματος, ωστόσο, αντιπροσωπεύει μια διαφορετική πρόκληση, επειδή λίγες μπλε χρωστικές είναι διαθέσιμες για κατανάλωση στη φύση. Ωστόσο, τα blue jays, τα neon tetras, τα poison dart frogs και πολλά άλλα ζώα βρήκαν μια λύση που δεν βασίζεται σε χρωστικές ουσίες, εξελίσσοντας οπτικά κόλπα για να κάνουν τα μπλουζ (και μερικά πράσινα) με διαφορετικό τρόπο. Δημιουργούν αυτά που ονομάζονται δομικά χρώματα.

Τα δομικά χρώματα λειτουργούν σαν φίλτρα που επιτρέπουν μόνο σε ορισμένα μήκη κύματος να περάσουν. Οι ειδικοί φωτονικοί μηχανισμοί τους ποικίλλουν από είδος σε είδος, αλλά λειτουργούν επειδή οι δομές κλίμακας νανομέτρων στα υλικά τους είναι συγκρίσιμες με τα μήκη κύματος του φωτός. Οι δομές περιθλά τα χρώματα του φωτός διαφορετικά και δημιουργούν εφέ παρεμβολής.

«Πρόκειται για την ύπαρξη πολλαπλών μικροσκοπικών δομών που διασκορπίζουν το φως και στη συνέχεια αλληλεπιδρούν αυτά τα διάσπαρτα κύματα – αυτή η αλληλεπίδραση θα ενισχύσει ορισμένα χρώματα και θα εξαλείψει τα άλλα», εξήγησε ο Richard Prum, ειδικός στο χρωματισμό των φτερών των πτηνών στο Πανεπιστήμιο Yale.

Αυτή η δομική προσέγγιση στο χρωματισμό έχει το πλεονέκτημα της προσαρμοστικότητας:«Δεν έχει σημασία με ποιο υλικό το φτιάχνεις, αρκεί να είναι κάπως διαφανές», εξήγησε ο Mathias Kolle, ο οποίος μελετά βιολογικά εμπνευσμένα οπτικά υλικά στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. .

Τα δομικά χρώματα έχουν επίσης συχνά τη λαμπερή οπτική έλξη του ιριδισμού. Επειδή το φως που αντανακλάται από την κορυφή ενός στρώματος δομικού χρώματος μπορεί να είναι εκτός φάσης με το φως που ανακλάται από το κάτω μέρος, το χρώμα μπορεί να φαίνεται να φωτίζει ή να μετατοπίζεται σε απόχρωση όταν το βλέπουμε από διαφορετικές γωνίες. Αυτό το αποτέλεσμα είναι εντυπωσιακό στο έντονο μπλε των πεταλούδων μορφών, για παράδειγμα. Τα λέπια σε ένα φτερό πεταλούδας μορφοποιημένα είναι σμιλεμένα με μικρές αυλακώσεις επενδεδυμένες με δεντροειδείς προεξοχές που διαθλούν και αντανακλούν τα κύματα φωτός, προκαλώντας την παρεμβολή μεταξύ τους με τρόπο που παράγει ιριδίζον μπλε.

Σε μια μελέτη του 2015, ο Kolle και οι συνάδελφοί του ανέφεραν την ανακάλυψή τους για το πώς ένα μαλάκιο, η γαλαζοπράσινη πεταλούδα, δημιουργεί τις χαρακτηριστικές φωτεινές μπλε ρίγες στο κέλυφός του. Στρώματα διαφανών κρυστάλλων ανθρακικού ασβεστίου στο κέλυφος παρατάσσονται ως πολλαπλά μικροσκοπικά φύλλα, με κάθε στρώμα να περιθλά και να ανακλά μια λωρίδα φωτός. Τα κύματα διάθλασης φωτός αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. ανάλογα με το πάχος κάθε στρώματος και το μήκος κύματος του φωτός, τα κύματα είτε αθροίζονται είτε ακυρώνονται. Λαμβάνοντας το σωστό πάχος των στρωμάτων (100 νανόμετρα), η πεταλούδα κάνει όλα τα μήκη κύματος εκτός από τα μπλε να ακυρώνουν το ένα το άλλο.

Άλλα ζώα εκμεταλλεύονται παρόμοια φαινόμενα στα δομικά τους χρώματα. Για παράδειγμα, ένα κόλπο πίσω από την τέχνη της αλλαγής χρώματος των χταποδιών και άλλων κεφαλόποδων είναι ότι ορισμένα από τα χρωματοφόρα κύτταρα στο δέρμα τους περιέχουν στρώματα πρωτεϊνών που ονομάζονται αντανακλάσεις που μπορούν γρήγορα να μετατοπιστούν από μια τακτική σε μια διαταραγμένη κατάσταση. Πυκνώνοντας και αραιώνοντας αυτά τα στρώματα, τα ζώα μπορούν να αντανακλούν διαφορετικά μήκη κύματος και να αλλάξουν τα χρώματα που δείχνουν στον κόσμο.

Σε αντίθεση με το χταπόδι, όμως, η πεταλούδα δεν μπορεί να αλλάξει το σχήμα των στρωμάτων της αφού τοποθετηθούν. Το πώς η πεταλούδα χτίζει την πολυεπίπεδη δομή με τέτοια ακρίβεια είναι ένα μυστήριο. «Η δυναμική της επιστήμης των υλικών πίσω από αυτό είναι ασυνήθιστα ακατανόητη», είπε ο Kolle. Ωστόσο, η εργασία του Prum, του Vinod Saranathan του Κολλεγίου Yale-NUS στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης και άλλων τα τελευταία χρόνια έχει σημειώσει πρόοδο στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ορισμένα πουλιά παράγουν τα δομικά χρώματα πίσω από το λαμπρό μπλε φτέρωμά τους:μια διαδικασία διαχωρισμού φάσεων.

Σε υψηλή μεγέθυνση, οι χρωματιστές ράβδοι (νημάτια) των φτερών έχουν μια αφρώδες δομή, με μικρές, ομοιόμορφες σφαίρες αέρα που αιωρούνται σε πρωτεΐνη βήτα-κερατίνης. Το φως που διαχέεται από κάθε φυσαλίδα αέρα αλληλεπιδρά με το φως που αναπηδά από τις γειτονικές φυσαλίδες. "Και επειδή έχουν ακριβώς το σωστό μέγεθος για να το κάνουν αυτό, κάνουν ένα μπλε χρώμα, ένα τιρκουάζ χρώμα ή ένα υπεριώδες χρώμα", είπε ο Prum.

Μελέτες δείχνουν ότι μέσα στα κύτταρα ενός αναπτυσσόμενου φτερού πτηνού, η βήτα-κερατίνη αρχίζει να κατανέμεται στο υδαρές κυτταρόπλασμα. Χημικές αλλαγές στο κύτταρο προκαλούν αυθόρμητο διαχωρισμό της βήτα-κερατίνης και του νερού, δημιουργώντας σφαιρικά σταγονίδια νερού μέσα σε μια μήτρα πολυμερισμένης πρωτεΐνης. Αφού πεθάνει το κύτταρο, το νερό εξατμίζεται και οι χώροι γεμίζουν με αέρα, αφήνοντας μια μινιατούρα σφαιρική κοιλότητα φυσαλίδων αέρα που αντανακλά το φως ακριβώς στο σωστό μήκος κύματος.

Ο Prum παρομοιάζει τη διαδικασία με το άνοιγμα ενός μπουκαλιού μπύρας. «Ξαφνικά έχετε μια συμπύκνωση - το διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα σχηματίζει μια φυσαλίδα και η φυσαλίδα μεγαλώνει σε ένα συγκεκριμένο μέγεθος και στη συνέχεια επιπλέει προς τα πάνω», είπε. "Αυτό το υλικό μοιάζει ακριβώς με το κεφάλι σε μια μπύρα."

Στα μπλε φτερά των blue jays και των περισσότερων άλλων πουλιών, αυτές οι φυσαλίδες είναι διαταραγμένες. Αλλά τουλάχιστον ένα είδος, το φυλλοβόλο της Νοτιοανατολικής Ασίας, παίρνει το αστραφτερό μπλε των φτερών του από τέλεια διατεταγμένους κρυστάλλους φυσαλίδων, όπως ανέφεραν οι Saranathan, Prum και οι συνεργάτες τους στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών /em> στις 8 Ιουνίου. Οι ερευνητές ανακάλυψαν αυτούς τους γυροειδείς κρυστάλλους όταν έβαλαν τα φτερά των φύλλων κάτω από μια ισχυρή γραμμή ακτίνων Χ στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne.

Το γυροειδής, μια συνεχής ελάχιστη επιφάνεια που σχηματίζει μια εξαιρετικά περιοδική δομή, είναι κατά μία έννοια το αντίστροφο μιας σφαίρας:Ενώ μια σφαίρα έχει ομοιόμορφη θετική καμπυλότητα, το γυροειδής είναι ένα αντικείμενο σε σχήμα σέλας με ομοιόμορφη αρνητική καμπυλότητα. Ένα από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του είναι ότι χωρίζει το χώρο σε δύο λαβύρινθους συστημάτων τούνελ, που χωρίζονται από μια μεμβράνη, που αντικατοπτρίζουν τέλεια το ένα το άλλο. Όταν και τα δύο σετ σηράγγων γεμίζουν με υγρό μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο, η δομή είναι γνωστή ως διπλός γυροειδής. όταν γεμίζει μόνο ένα σύνολο τούνελ, η δομή είναι ένα μόνο γυροειδής.

Οι απλοί γυροειδείς κρύσταλλοι του φυλλοβόλου παρουσιάζουν την ίδια οπτική ιδιότητα με τα στρώματα της πεταλούδας. "Έχετε τοπικά περιοδικές αλλαγές του δείκτη διάθλασης" ή μια περιοδική διάταξη διαφορετικών υλικών σκέδασης φωτός, εξήγησε ο Bodo Wilts, φυσικός μαλακής ύλης στο Ινστιτούτο Adolphe Merkle στο Fribourg της Ελβετίας.

Μεμονωμένα γυροειδή είχαν προηγουμένως παρατηρηθεί στη φύση μόνο σε ορισμένες κλίμακες πεταλούδας, όπως αναφέρθηκε το 2010 από τους Saranathan, Prum και τους συναδέλφους τους. Ο Gerd Schröder-Turk, ο οποίος μελετά βιοφωτονικά υλικά στο Πανεπιστήμιο Murdoch στην Αυστραλία, και οι συνάδελφοί του έχουν δείξει ότι όταν αναπτύσσονται αυτές οι κλίμακες, η μεμβράνη του ενδοπλασματικού δικτύου στα κύτταρα της ζυγαριάς σχηματίζει ένα φύλλο με υγρό και στις δύο πλευρές, δημιουργώντας ένα διπλό γυροειδή. Στη συνέχεια, μία από τις σήραγγες γεμίζει με χιτίνη και στερεοποιείται. Όταν τα κύτταρα πεθαίνουν, αφήνουν πίσω τους ένα μόνο γυροειδή.

Οι ερευνητές θεώρησαν ότι αυτή η διαδικασία χύτευσης ή διαμόρφωσης προτύπου ήταν ο μόνος τρόπος με τον οποίο θα μπορούσαν να σχηματιστούν μεμονωμένα γυροειδή στη φύση. Αντ 'αυτού, τα στοιχεία δείχνουν ότι το φυλλοβόλο φτιάχνει τα γυροειδή του με τον ίδιο τρόπο που ο στενός συγγενής του, ο μπλε τζάι, κάνει τα άτακτα κουκούτσια από φυσαλίδες - με διαχωρισμό φάσεων. Είναι κάτι που δεν θα μπορούσε να προβλεφθεί με βάση την υπάρχουσα θεωρία στη φυσική της μαλακής ύλης, λένε οι Saranathan και Prum.

Η ανακάλυψη υποδηλώνει ότι τέτοιοι κρύσταλλοι μπορούν να αυτοσυναρμολογηθούν, κάτι που είναι ενθαρρυντικό για τους μηχανικούς που αναζητούν καλύτερους τρόπους για να φτιάξουν υλικά για φωτονικές εφαρμογές. Για να μεταδίδεται πιο αποτελεσματικά το μπλε φως, για παράδειγμα, ένα καλώδιο οπτικών ινών θα μπορούσε να είναι επενδεδυμένο με το είδος του μπλε-αντανακλαστικού υλικού που βρίσκεται στο φυλλοβόλο, έτσι ώστε να μην μπορούν να διαφύγουν μπλε φωτόνια.

"Όλες οι οπτικές ίνες που κατασκευάζονται τώρα με κόπο με μηχανική ακριβείας - τα πουλιά το κάνουν με αυτοσυναρμολόγηση", είπε ο Prum. Το να μάθετε πώς να αναπτύσσετε αυτοσυναρμολογούμενες φωτονικές συσκευές «θα ήταν μια πραγματική εξοικονόμηση κόστους».

Ο Kolle συμφωνεί. Πέρυσι στο Nature Photonics , αυτός και η ομάδα του περιέγραψαν μια βελτιωμένη μέθοδο μικροσκοπίας απεικόνισης σκοτεινού πεδίου που χρησιμοποιεί ένα υλικό εμπνευσμένο από τα λέπια των φτερών του Papilio πεταλούδες. Τώρα εργάζεται με έναν μαθητή για να παρατηρήσει πώς σμιλεύονται οι αυλακώσεις νανοκλίμακας στις κλίμακες των φτερών της ζωγραφισμένης κυρίας πεταλούδας. Η κατανόηση της διαδικασίας σε αυτό το είδος θα πρέπει να ξεκλειδώσει τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσεται η αρχιτεκτονική βασικής κλίμακας στις περισσότερες πεταλούδες. «Ελπίζω ότι υπάρχουν εμβιομηχανικές αρχές … που μπορούμε να εφαρμόσουμε για να φτιάξουμε αυτά τα υλικά σε ένα εντελώς διαφορετικό σύστημα υλικών», είπε.