Учёные раскрыли клеточные структуры, которые кальмары используют для изменения внешнего вида

Исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Ирвайне, изучив клетки кожи кальмара трёхмерно, выявила структуры, ответственные за способность этих существ динамически менять свой внешний вид от прозрачного до произвольно окрашенного состояния.

Учёные, включая сотрудников из Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоуле, обнаружили, что в ярко окрашенных тканях мантии кальмара светоуправляющие клетки — иридофоры — содержат стопки извилистых столбиков пластинок из белка рефлектина. Эти столбики функционируют как брэгговские отражатели, которые избирательно пропускают и отражают свет на определённых длинах волн.

В статье, опубликованной 26 июня в Science, исследователи описали, как они вдохновились этими клетками и их внутренними столбчатыми структурами для разработки многоспектрального композитного материала с регулируемыми свойствами в видимом и инфракрасном диапазонах.

«В природе многие животные используют брэгговские отражатели для структурной окраски, — сказал соавтор Алон Городецкий. — Способность кальмара быстро и обратимо переходить от прозрачного к окрашенному состоянию замечательна. Мы обнаружили, что клетки, содержащие специализированные субклеточные столбчатые структуры с синусоидальным распределением показателя преломления, позволяют кальмару достигать таких результатов».

Команда использовала голотомографию — метод микроскопии, который сочетает свет низкой интенсивности с количественным фазовым изображением для создания 3D-изображений клеток. Инструмент напрямую измеряет тонкие сдвиги света при прохождении через ткань и строит карту показателя преломления образца, выявляя структурные и биохимические особенности.

«Голотомография использовала высокий показатель преломления белков рефлектина, чтобы выявить наличие синусоидальных распределений показателя преломления внутри клеток иридофоров кальмара», — пояснил соавтор Георгий Богданов.

Процесс изучения механизмов, лежащих в основе способности кальмаров управлять цветом, вдохновил команду на создание гибких и растяжимых композитных материалов, меняющих видимый облик, на основе наностолбчатых синусоидальных брэгговских отражателей. Затем эти материалы были дополнительно усовершенствованы для изменения внешнего вида в инфракрасном диапазоне путём включения наноструктурированных металлических плёнок.

С помощью набора приборов для микроскопии и спектроскопии команда подтвердила, что модульные и многофункциональные композиты могут выполнять различные многоспектральные функции, включая камуфляж, сигнализацию и сенсорику.

«Эти биоинспирированные материалы выходят за рамки простого статического управления цветом, поскольку они могут динамически регулировать свой внешний вид как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах в ответ на внешние или механические стимулы», — сказала соавтор Александра Стшелецка.

«Часть того, что делает эту технологию действительно захватывающей, — её присущая масштабируемость. Мы продемонстрировали крупноформатные и массированные композиты, которые имитируют и даже превосходят естественные оптические возможности кальмара, открывая двери для многих применений — от адаптивного камуфляжа до отзывчивых тканей, многоспектральных дисплеев и передовых датчиков».

Городецкий отметил, что полученные фундаментальные знания могут быть широко использованы для улучшения целого ряда других оптических технологий, таких как лазеры, волоконная оптика, фотоэлементы и датчики.

«Это исследование — захватывающая демонстрация силы сочетания фундаментальных и прикладных исследований, — сказал он. — Мы, вероятно, только начали царапать поверхность того, что возможно для вдохновлённых головоногими настраиваемых оптических материалов в нашей лаборатории».