Блестящая иризация птиц связана с наноразмерным изменением структуры пера

Ослепительный переливчатый блеск, характерный для таких птиц, как павлины и колибри, обусловлен сложной природной наноструктурой. Секрет создания этих цветов кроется в ключевой особенности наноразмерного дизайна пера, как показало исследование Принстонского университета, опубликованное в журнале eLife.

Учёные обнаружили эволюционное изменение в наноструктуре пера, которое более чем вдвое увеличило диапазон переливчатых цветов, доступных птицам. Это открытие помогает понять, как и когда у птиц впервые появилась яркая иризация, а также может вдохновить на создание новых материалов для управления светом.

Механизм структурной окраски

Когда иризирующие птицы двигаются, наноструктуры внутри крошечных ветвистых нитей пера (бородок) взаимодействуют со светом, усиливая определённые длины волн в зависимости от угла обзора. Эта иризация — результат структурной окраски, при которой кристаллоподобные наноструктуры манипулируют светом.

Под электронным микроскопом видно, что бородка содержит упорядоченную структуру с тёмными точками, кольцами или пластинками внутри серого субстрата. Эти точки — пигментные мешочки меланосомы, заполненные меланином, а серое окружение — кератин пера.

Разнообразие и функция меланосом

Меланосомы бывают разной формы: палочковидные или пластинчатые, сплошные или полые. Например, у колибри обычно полые пластинчатые меланосомы, а у павлинов — палочковидные. Чтобы понять, почему эволюция создала такое разнообразие, исследователи объединили эволюционный анализ, оптическое моделирование и измерения оперения.

Они создали базу данных всех описанных иризирующих наноструктур пера у более чем 300 видов птиц и нанесли типы меланосом на эволюционное древо. Выделено пять основных типов: толстые стержни, тонкие стержни, полые стержни, пластинки и полые пластинки. Все, кроме толстых стержней, встречаются в ярком переливчатом оперении.

Ключевой фактор — тонкие слои меланина

Анализ показал, что ранее упускалась из виду третья особенность — тонкие слои меланина. Все четыре типа меланосом в иризирующих перьях создают такие тонкие слои, что невозможно при использовании толстых стержней. Это критически важно, поскольку толщина слоёв определяет интенсивность цвета.

"Теория предсказывает существование "зоны Златовласки", где слои меланина имеют идеальную толщину для создания очень интенсивных цветов в спектре, видимом птицами", — объяснила первый автор Клара Норден. Тонкие стержни, пластинки или полые формы могут быть альтернативными путями достижения этой идеальной толщины от гораздо большего предкового размера (толстых стержней).

Результаты исследований

Измерения цвета оперения в Американском музее естественной истории и оптическое моделирование показали, что именно тонкие слои меланина — независимо от формы меланосом — почти удваивают диапазон цветов, которые может производить иризирующее перо.

"Этот ключевой эволюционный прорыв — возможность располагать меланосомы в виде тонких слоёв меланина — открыл для птиц новые возможности создания цвета", — сказала старший автор Мэри Кэсуэлл Стоддард. Разнообразные типы меланосом подобны гибкому набору инструментов, предлагающему разные пути к одной цели.

Эволюционные пути и применение открытий

Иризирующие наноструктуры, вероятно, эволюционировали много раз независимо. Тонкие слои меланина развились из толстых стержней разными способами: уплощением (пластинки), образованием полости внутри (полые формы) или уменьшением размера стержня (тонкие стержни).

Эти данные помогут реконструировать иризацию у ископаемых животных, поскольку меланосомы могут сохраняться в окаменелых перьях миллионы лет. Например, на основе толстых сплошных стержней, описанных в оперении микрораптора, можно сделать вывод, что у этого оперённого теропода, вероятно, было иризирующее оперение, больше похожее на оперение скворца, чем павлина.

Кроме того, структура меланосом и кератина в перьях может подсказать инженерам, как создавать эффективные иризирующие наноструктуры для захвата или управления светом, или экологичные краски без красителей. Пример — сверхчёрные покрытия, подобные Vantablack, работающие по тому же принципу, что и чёрное оперение райских птиц (Paradisaeidae).

Иризирующие перья также демонстрируют принцип многофункциональности природных материалов. Меланин не только создаёт иризацию, но и защищает от ультрафиолетового излучения, укрепляет перья и подавляет рост микробов. Возможно, разные типы меланосом изначально эволюционировали именно для этих целей, а не для цвета.