Blæksprutternes evne til at justere farve og lysstyrke af deres iriserende kommer ned til en subtil mekanisme

Blæksprutter har længe været en kilde til fascination for mennesker, leverer sagn, overtro og myter. Og det er ikke så mærkeligt - deres mærkelige udseende og mærkelige intelligens, deres beherskelse af det åbne hav kan vække ærefrygt hos dem, der ser dem.

Sagn til side, blæksprutter fortsætter med at intrigere folk i dag - mennesker som UC Santa Barbara professor Daniel Morse - for meget det samme, omend mere videnskabeligt, grunde. Efter at have udviklet sig i hundreder af millioner af år til at jage, kommunikere, undvige rovdyr og parre sig i det store, ofte karakterløse vidder af åbent vand, blæksprutter har udviklet noget af det mest sofistikerede skind i dyreriget.

"I århundreder, mennesker er blevet forbløffet over blæksprutternes evne til at ændre farven og mønstrene på deres hud - hvilket de gør smukt - til camoflage og undervandskommunikation, signalerer til hinanden og til andre arter om at holde sig væk, eller som attraktion for parring og andre former for signalering, sagde Morse, en fremtrædende professor emeritus i biokemi og molekylær genetik.

Ligesom deres blækspruttefætre blæksprutten og blæksprutten, blæksprutter har specialiserede pigmentfyldte celler kaldet kromatoforer, der udvider sig for at udsætte dem for lys, resulterer i forskellige nuancer af pigmentfarve. Af særlig interesse for Morse, imidlertid, er blæksprutternes evne til at flimre og flimre, reflekterer forskellige farver og bryder lys over deres hud. Det er en effekt, der menes at efterligne det plettede lys fra det øvre hav - den eneste funktion i et ellers grelt havlandskab. Ved at forstå, hvordan blæksprutter formår at falme sig selv ind i selv den mest almindelige baggrund – eller skille sig ud – kan det være muligt at producere materialer med samme, lys tuning egenskaber til en række applikationer.

Morse har arbejdet på at afsløre hemmeligheden bag blækspruttehud i det sidste årti, og med støtte fra Hærens Forskningskontor og forskning offentliggjort i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver , han og medforfatter Esther Taxon kommer endnu tættere på at optrevle de komplekse mekanismer, der ligger til grund for blækspruttehud.

En elegant mekanisme

"Det, vi har opdaget, er, at blæksprutten ikke kun er i stand til at justere farven på det lys, der reflekteres, men også dens lysstyrke, " sagde Morse. Forskning har indtil videre vist, at visse proteiner kaldet reflectiner var ansvarlige for iriscens, men blækspruttens evne til at justere lysstyrken af ​​det reflekterede lys var stadig noget af et mysterium, han sagde.

Tidligere forskning udført af Morse havde afsløret strukturer og mekanismer, hvorved iridocytter - lysreflekterende celler - i den opaliserende kystblækspruttes (Doryteuthis opalescens) hud kan antage stort set alle regnbuens farver. Det sker med cellemembranen, hvor den foldes ind i harmonika-lignende strukturer i nanoskala kaldet lameller, danner små, subbølgelængde-brede udvendige riller.

"De små rillestrukturer er som dem, vi ser på den indgraverede side af en CD, " sagde Morse. Den reflekterede farve afhænger af rillens bredde, som svarer til bestemte lysbølgelængder (farver). I blækspruttens iridocytter, disse lameller har den ekstra egenskab, at de er i stand til at skifte form, udvide og indsnævre disse riller gennem handlingerne af en bemærkelsesværdig finjusteret "osmotisk motor" drevet af reflektinproteiner, der kondenserer eller spredes fra hinanden inde i lamellerne.

Mens materialesystemer indeholdende reflektinproteiner var i stand til at tilnærme de iriserende farveændringer blæksprutte var i stand til, forsøg på at replikere evnen til at intensivere lysstyrken af ​​disse refleksioner kom altid til kort, ifølge forskerne, der ræsonnerede, at noget skulle kobles til reflektinerne i blækspruttehud, forstærker deres effekt.

At noget viste sig at være selve membranen, der omsluttede reflekterne - lamellerne, de samme strukturer, der er ansvarlige for rillerne, der deler lyset i dets konstituerende farver.

"Evolution har så udsøgt optimeret ikke kun farvejusteringen, men justering af lysstyrken ved hjælp af det samme materiale, det samme protein og den samme mekanisme, " sagde Morse.

Lys med tankens hastighed

Det hele starter med et signal, en neuronal puls fra blækspruttens hjerne.

"Reflektiner er normalt meget stærkt positivt ladede, Morse sagde om de iriserende proteiner, hvilken, når den ikke er aktiveret, ligne en perlerække. Deres samme ladning betyder, at de frastøder hinanden.

Men det kan ændre sig, når et neuralt signal får reflectinerne til at binde negativt ladede fosfatgrupper, der neutraliserer den positive ladning. Uden at frastødningen holder proteinerne i deres uordnede tilstand folder de sig og tiltrækker hinanden, akkumuleres til færre, større aggregater i lamellerne.

Disse aggregationer udøver osmotisk tryk på lamellerne, en semipermeabel membran bygget til kun at modstå så meget tryk skabt af de sammenklumpede reflektiner, før den frigiver vand uden for cellen.

"Vand bliver presset ud af den harmonika-lignende struktur, og det kollapser harmonikaen, så tykkelsen i afstanden mellem folderne bliver reduceret, og det er som at bringe rillerne på en CD tættere på hinanden, "Forklarede Morse. "Så lyset, der reflekteres, kan skifte gradvist fra rød til grøn til blå."

På samme tid, membranens kollaps koncentrerer reflektinerne, forårsager en stigning i deres brydningsindeks, forstærker lysstyrken. osmotisk tryk, motoren, der driver disse justeringer af optiske egenskaber, kobler lamellerne tæt til reflektinerne i et højt kalibreret forhold, der optimerer output (farve og lysstyrke) til input (neuralt signal). Tør det neurale signal væk, og fysikken vender om, sagde Morse.

"Det er en meget klog, indirekte måde at ændre farve og lysstyrke ved at kontrollere den fysiske adfærd af det, der kaldes en kolligativ egenskab - det osmotiske tryk, noget, der ikke umiddelbart er indlysende, men det afslører forviklingen af ​​den evolutionære proces, årtusinder af mutationer og naturlige selektioner, der har finpudset og optimeret disse processer sammen."

Tyndfilm med afstembar lysstyrke

Tilstedeværelsen af ​​en membran kan være det afgørende led for udviklingen af ​​bioinspirerede tynde film med den opaliserende kystblækspruttes optiske tuning-kapacitet.

"Denne opdagelse af den nøglerolle membranen spiller i justering af lysstyrken af ​​reflektans har spændende konsekvenser for designet af fremtidige buihybride materialer og belægninger med justerbare optiske egenskaber, der kunne beskytte soldater og deres udstyr, " sagde Stephanie McElhinny, en programleder ved Hærens Forskningskontor, et element af U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory.

Ifølge forskerne, "Denne evolutionært finpudset, effektiv kobling af reflektin af dens osmotiske forstærker er tæt analog med den impedanstilpassede kobling af aktivator-transducer-forstærker-netværk i velkonstrueret elektronisk, magnetisk, mekaniske og akustiske systemer." I dette tilfælde ville aktivatoren være det neuronale signal, mens reflektinerne fungerer som transducere og de osmotisk styrede membraner fungerer som forstærkerne.

"Uden den membran, der omgiver reflektinerne, der er ingen ændring i lysstyrken for disse kunstige tynde film, sagde Morse, som samarbejder med ingeniørkolleger for at undersøge potentialet for en mere blækspruttehudlignende tyndfilm. "Hvis vi ønsker at fange kraften i det biologiske, vi er nødt til at inkludere en form for membranlignende kabinet for at tillade reversibel justering af lysstyrken."