Исследователи обнаружили уникальные наноструктуры, ответственные за электрические синие пятна сине-пятнистого лентохвостого ската (Taeniura lymma), с возможным применением для разработки окраски без химикатов. Команда также проводит постоянные исследования столь же загадочной синей окраски синей акулы (Prionace glauca). Это исследование было опубликовано в журнале Advanced Optical Materials.
Окраска кожи играет ключевую роль в общении организмов, предоставляя жизненно важные визуальные подсказки, которые могут предупреждать, привлекать или маскировать. Сине-пятнистые лентохвостые скаты обладают яркими электрическими синими пятнами на коже . Однако биологические процессы , которые создают эти электрические синие пятна, до сих пор оставались загадкой.
«Если вы видите синий цвет в природе, вы почти наверняка можете быть уверены, что он создан наноструктурами тканей, а не пигментом», — говорит Мейсон Дин, доцент кафедры сравнительной анатомии в Городском университете Гонконга (CityU). «Понимание структурного цвета животных касается не только оптической физики, но и задействованных материалов, того, как они тонко организованы в тканях, и как цвет выглядит в среде обитания животного. Чтобы собрать все эти части воедино, мы собрали замечательную команду специалистов из разных стран, в результате чего получилось удивительное и забавное решение головоломки цвета ската».
Структурные цвета создаются чрезвычайно маленькими структурами, которые манипулируют светом, а не являются продуктом химических пигментов.
«Синие цвета особенно интересны, потому что синие пигменты встречаются крайне редко, а природа часто использует наноструктуры для получения синего цвета», — говорит Виктория Камска, изучающая механизмы естественной окраски в CityU. «Нас особенно интересуют лентохвостые скаты, потому что в отличие от большинства других структурных цветов их синий цвет не меняется, если смотреть на них под разными углами».
Исследовательская группа объединила различные методы, чтобы изучить архитектуру кожи в различных естественных условиях.
«Чтобы понять тонкомасштабную архитектуру кожи, мы использовали микрокомпьютерную томографию (микро-КТ), сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) и просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ)», — говорит Дин.
«Мы обнаружили, что синий цвет вырабатывается уникальными клетками кожи, со стабильной трехмерной компоновкой наномасштабных сфер, содержащих отражающие нанокристаллы (подобно жемчужинам, взвешенным в пузырьковом чае)», — говорит соавтор исследования Амар Сурапанени. «Поскольку размер наноструктур и их расстояние являются полезным кратным длины волны синего света, они, как правило, отражают именно синие длины волн».
Интересно, что команда обнаружила, что уникальное «квазиупорядоченное» расположение сфер помогает гарантировать неизменность цвета под любым углом обзора.
«И чтобы убрать все посторонние цвета, толстый слой меланина под цветообразующими клетками поглощает все другие цвета, в результате чего кожа становится чрезвычайно яркой и синей», — говорит Дин. «В конечном итоге, два типа клеток прекрасно сотрудничают: структурные цветные клетки фокусируются на синем цвете, в то время как пигментные клетки меланина подавляют другие длины волн, в результате чего кожа становится чрезвычайно яркой и синей».
Команда полагает, что эта захватывающая синяя окраска, вероятно, обеспечивает скатам преимущества маскировки.
«В воде синий цвет проникает глубже, чем любой другой цвет, помогая животным сливаться с окружающей средой», — говорит Дин. «Яркие синие пятна на коже скатов не меняются в зависимости от угла обзора; поэтому они могут иметь особые преимущества в маскировке, когда животное плывет или быстро маневрирует с помощью волнообразных крыльев».
В настоящее время изучаются возможности применения этого исследования, в том числе в создании цветных материалов без пигментов на основе биотехнологий.
«Мы сотрудничаем с коллегами-исследователями с целью разработки гибких биомиметических структурно-окрашенных систем, вдохновленных мягкой природой кожи ската, для безопасных, не содержащих химикатов красителей для текстиля, гибких дисплеев, экранов и датчиков», — говорит Дин.
Помимо изучения скатов, Камска с командой также изучают синюю окраску других скатов и акул, включая синюю акулу.
«Несмотря на то, что название «синяя акула» и ее экологические аспекты хорошо изучены, никто до сих пор не знает, как на ее коже образуется синий цвет», — говорит Камска. «Предварительные результаты показывают, что этот механизм окраски отличается от механизма ската, но, как и в случае со скатом, нам нужно попробовать различные комбинации инструментов тонкой визуализации и обратиться к нескольким смежным дисциплинам в оптике, материаловедении и биологии».
