Er is een mysterieuze oorsprong onthuld voor de elektrisch blauwe vlekken die te zien zijn op lintstralen

Onderzoekers hebben de mechanismen achter de elektrisch blauwe vlekken op blauwe stralen ontdekt en nanostructuren geïdentificeerd die licht reflecteren om levendige kleuren te creëren.

Deze ontdekking heeft implicaties voor de ontwikkeling van kleuringstechnieken zonder chemicaliën, met voortdurend onderzoek naar soortgelijke verschijnselen bij andere mariene organismen Classificeren.

Ontdekking van nanostructuren in de huid van pijlstaartroggen

Wetenschappers hebben de unieke nanostructuren geïdentificeerd die verantwoordelijk zijn voor de elektrische blauwe vlekken van blauwgevlekte lintstralen (Tenora Lima), met potentiële toepassingen voor de ontwikkeling van chemicaliënvrije kleurstoffen. Het team doet ook voortdurend onderzoek naar de mysterieuze blauwe kleur van de blauwe haai (Brionas Glauca).

Huidskleur speelt een sleutelrol in de communicatie tussen organismen en biedt belangrijke visuele aanwijzingen voor het leven die kunnen waarschuwen, aantrekken of camoufleren. Blauwstaartlintroggen hebben opvallende elektrisch blauwe vlekken op hun huid, maar de biologische processen die deze elektrisch blauwe vlekken produceren zijn tot nu toe een mysterie gebleven.

“Als je blauw in de natuur ziet, kun je er bijna zeker van zijn dat het gemaakt is van nanostructuren van weefsel en niet van pigment”, zegt Mason Dean, universitair hoofddocent vergelijkende anatomie aan de City University van Hong Kong. “Het begrijpen van structurele kleuren bij dieren gaat niet alleen over optische fysica, het gaat ook over de betrokken materialen, hoe ze precies in weefsels zijn georganiseerd en hoe kleur eruit ziet in de omgeving van het dier. Om al deze onderdelen bij elkaar te brengen, hebben we een verbazingwekkende samengesteld team van disciplines uit meerdere landen, en we eindigden met “Het is een verrassende en leuke oplossing voor het mysterie van de kleur van pijlstaartroggen.”

Blauwe haai. Auteursrecht: Victoria Kamska

Natuurlijke blauwe kleur: structurele versus pigmentachtige kleuring

Structurele kleuren zijn het resultaat van zeer kleine structuren die licht manipuleren, en niet als een product van chemische pigmenten. “Blauwe kleuren zijn bijzonder interessant omdat blauwe pigmenten zeer zeldzaam zijn en door de natuur vaak worden gebruikt Nano-schaal “We gebruiken verschillende structuren om blauw te produceren”, zegt Viktoria Kamska, een postdoctoraal onderzoeker die natuurlijke kleuringsmechanismen bestudeert aan de City University. “We zijn vooral geïnteresseerd in lintstralen omdat, in tegenstelling tot de meeste andere structurele kleuren, hun blauwe kleur niet verandert als je ze gebruikt bekijk ze vanuit verschillende hoeken.”

Het onderzoeksteam gebruikte verschillende technieken om de structuur van de huid onder verschillende natuurlijke omstandigheden te begrijpen. “Om de microstructuur van de huid te begrijpen, hebben we computertomografie (micro-CT), scanning-elektronenmicroscopie (SEM) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) gebruikt”, zegt Dr. Dean.

“We ontdekten dat de blauwe kleur wordt geproduceerd door unieke huidcellen, met een stabiele driedimensionale opstelling van nanobolletjes die… reflecterende nanokristallen bevatten (zoals parels die in bubble tea zweven).” “Omdat de grootte en afstand van nanostructuren een nuttig veelvoud is van de golflengte van blauw licht, hebben ze de neiging om specifiek blauwe golflengten te reflecteren.”

Mechanismen van kleurstabiliteit en de toepassingen ervan

Interessant genoeg ontdekte het team dat de unieke ‘semi-gestructureerde’ opstelling van de ballen ervoor zorgde dat de kleur onveranderd bleef, ongeacht de kijkhoek. “Om eventuele vreemde kleuren op te ruimen, absorbeert een dikke laag melanine onder de kleurproducerende cellen alle andere kleuren, wat resulteert in een zeer helderblauwe huid”, zegt Dr. Dean. “Uiteindelijk vormen de twee celtypen een opmerkelijke samenwerking: structurele melanocyten richten zich op blauw, terwijl melaninepigmentcellen andere golflengten onderdrukken, wat resulteert in een zeer helderblauwe huid.”

Het team is van mening dat deze briljante blauwe kleur waarschijnlijk camouflagevoordelen biedt voor pijlstaartroggen. “In water dringt blauw dieper door dan welke andere kleur dan ook, waardoor de dieren opgaan in hun omgeving”, zegt Dr. Dean. “De helderblauwe vlekken op de huid van pijlstaartroggen veranderen niet met de kijkhoek; daarom kunnen ze specifiek zijn voordelen bij camouflage tijdens het zwemmen.” dier of snel manoeuvreren met zijn golvende vleugels.”

Toepassingen die momenteel voor dit onderzoek worden onderzocht, zijn onder meer kleurstofvrije, biologisch geïnspireerde kleurmaterialen. “We willen samenwerken met collega-onderzoekers om structureel gekleurde flexibele systemen te ontwikkelen, geïnspireerd door de zachte aard van de huid van pijlstaartroggen, voor veilige, chemicaliënvrije kleuren in textiel, flexibele displays en sensoren”, zegt dr. Dean.

Bredere impact en lopend onderzoek

Naast hun werk aan pijlstaartroggen bestuderen Dr. Kamska en haar team ook de blauwe kleur van pijlstaartroggen en andere haaien, waaronder de blauwe haai. “Hoewel de naam 'blauwe haai' en de ecologische aspecten ervan goed bestudeerd zijn, weet niemand nog steeds hoe de blauwe kleur op zijn huid wordt geproduceerd”, zegt Dr. Kamska pijlstaartroggen – maar net als vissen.” “Pijlstaartroggen moeten verschillende combinaties van precisiebeeldvormingsinstrumenten uitproberen en verschillende verwante disciplines in de optica, materiaal- en biologische wetenschappen aanpakken.”

Dit onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Optical Materials met de titel “De huid van de lintstraal gebruikt een centrale fotonische glasstructuur om een ​​blauwe structurele kleur te produceren“.

Er verschijnt ook een artikel in Frontiers in Cell and Developmental Biology met de titel “Tussenliggende filamenten organiseren ruimtelijk intracellulaire nanostructuren om de heldere structurele blauwe kleur van lintstralen tijdens de ontwikkeling te produceren.“.”

Referentie: “De huid van de lintstraal gebruikt een fotonische glasstructuur van kern tot schaal om een ​​blauwe structurele kleur te produceren” door Venkata A. Surapani en Michael J. Blumer, Kian Tadayon en Ashley J. McIvor, Stefan Riedel, Hanne Rose Hoeneß en Frederik H. Mullen, Shahrouz Amini en Mason N. Religie, 1 maart 2024, Geavanceerde optische materialen.
DOI: 10.1002/adom.202301909

Het onderzoek wordt ondersteund door de University Grants Commission en het General Research Fund van de City University of Hong Kong.

Dit onderzoek werd gepresenteerd op de jaarlijkse conferentie van de Society for Experimental Biology in Praag.