Дослідники виявили механізми, що стоять за електричними блакитними плямами на блакитних плямистих стрічкохвостих променях, визначивши наноструктури, які відбивають світло, створюючи яскраві кольори. Це відкриття має наслідки для розробки технологій безхімічного забарвлення, оскільки тривають дослідження подібних явищ в інших морських видів.
Відкриття наноструктур у шкірі ската
Вчені ідентифікували унікальні наноструктури, відповідальні за електричні блакитні плями блакитно-плямистого стрічкохвоста (Taeniura lymma), з можливим застосуванням для створення безхімічного забарвлення. Команда також проводить постійні дослідження настільки ж загадкового блакитного забарвлення блакитної акули (Prionace glauca).
Колір шкіри відіграє ключову роль у спілкуванні організмів, надаючи життєво важливі візуальні підказки, які можуть попереджати, приваблювати чи маскувати. Блакитно-плямисті стрічкохвісті промені мають вражаючі електрично-сині плями на своїй шкірі, однак біологічні процеси, які призвели до появи цих електрично-блакитних плям, досі залишалися загадкою.
«Якщо ви бачите блакитний колір у природі, ви можете бути майже впевнені, що він створений тканинними наноструктурами, а не пігментом», — каже Мейсон Дін, доцент кафедри порівняльної анатомії Міського університету Гонконгу (CityU). «Розуміння структурного кольору тварин залежить не лише від оптичної фізики, але й від використовуваних матеріалів, того, як вони тонко організовані в тканині, і того, як колір виглядає в оточенні тварини. Щоб зібрати всі ці частини воєдино, ми зібрали чудову команду дисциплін із багатьох країн, і в результаті ми знайшли дивовижне та веселе рішення кольорової головоломки ската».
Nature’s Blue: структурне чи пігментне забарвлення
Структурні кольори створюються надзвичайно малими структурами, які маніпулюють світлом, а не продуктом хімічних пігментів. «Сині кольори особливо цікаві, тому що блакитні пігменти надзвичайно рідкісні, а природа часто використовує нанорозмірні структури, щоб створити синій», — каже Вікторія Камська, постдоктор, який вивчає природні механізми забарвлення в CityU. «Нас особливо цікавлять стрічкохвості скати, тому що, на відміну від більшості інших структурних кольорів, їх блакитний колір не змінюється, коли ви дивитеся на них з різних кутів».
Дослідницька група поєднала різні методи, щоб зрозуміти архітектуру шкіри в різних природних умовах. «Щоб зрозуміти дрібномасштабну архітектуру шкіри, ми використовували мікрокомп’ютерну томографію (мікро-КТ), скануючу електронну мікроскопію (SEM) і трансмісійну електронну мікроскопію (TEM), — каже доктор Дін.
«Ми виявили, що блакитний колір виробляють унікальні клітини шкіри зі стабільним тривимірним розташуванням нанорозмірних сфер, що містять відбиваючі нанокристали (як перлини, підвішені в бульбашці чаю), — каже Амар Сурапанені, постдоктор групи Мейсона Діна донедавна і зараз запрошений викладач у Дублінському коледжі Трініті. «Оскільки розмір наноструктур і їх відстань є корисним кратним довжині хвилі синього світла, вони, як правило, відображають сині довжини хвилі конкретно».
Механізми стійкості кольору та застосування
Цікаво, що команда виявила, що унікальне «квазі-впорядковане» розташування сфер допомогло забезпечити незмінність кольору під кутом огляду. «А щоб очистити будь-які сторонні кольори, товстий шар меланіну під клітинами, що виробляють колір, поглинає всі інші кольори, що призводить до надзвичайно яскраво-блакитної шкіри», — каже доктор Дін. «Зрештою, два типи клітин — це чудова співпраця: клітини структурного кольору підкреслюють синій колір, а клітини пігменту меланіну пригнічують інші довжини хвиль, що призводить до надзвичайно яскраво-блакитної шкіри».
Команда вважає, що це захоплююче блакитне забарвлення, ймовірно, забезпечить переваги маскування для скатів. «У воді синій проникає глибше, ніж будь-який інший колір, допомагаючи тваринам зливатися з навколишнім середовищем», — каже доктор Дін. «Яскраво-сині плями шкіри скатів не змінюються залежно від кута огляду; отже, вони можуть мати особливі переваги в маскуванні, оскільки тварина плаває або швидко маневрує за допомогою хвилястих крил».
Застосування для цього дослідження, яке зараз досліджується, включає біоінспіровані кольорові матеріали без пігментів. «Ми продовжуємо співпрацю з колегами-дослідниками, щоб розробити гнучкі біоміметичні структурно-кольорові системи, натхненні м’якою природою шкіри ската для безпечних, безхімічних кольорів у текстилі, гнучких дисплеях, екранах і датчиках», — говорить доктор Дін.
Більш широкі наслідки та триваючі дослідження
Окрім роботи зі скатами, доктор Камска та її команда також досліджують блакитне забарвлення інших скатів та акул, включаючи блакитну акулу. «Незважаючи на те, що назва «блакитна акула» та її екологічні аспекти добре вивчені, ніхто досі не знає, як на її шкірі утворюється блакитний колір», — каже доктор Камска. «Попередні результати показують, що цей механізм забарвлення відрізняється від механізму забарвлення ската, але, так само як і ската, нам потрібно спробувати різні комбінації інструментів тонкого зображення та розглянути кілька споріднених дисциплін в оптиці, матеріалознавстві та біології».
Це дослідження було опубліковано в журналі Advanced Optical Materials під назвою «Шкіра стрічкохвостого ската використовує фотонічну скляну ультраструктуру Core-Shelf для створення синього структурного кольору ».
Також у журналі Frontiers in Cell and Developmental Biology буде опублікована стаття під назвою « Проміжні філаменти просторово організовують внутрішньоклітинні наноструктури для створення яскраво-синього кольору стрічкохвостих скатів в онтогенезі ».