Учёные выяснили, как мечехвост видит сквозь линзы из кутикулы

Примитивные фасеточные глаза мечехвоста — одни из самых крупных в природе. В отличие от многих насекомых и пауков, которые строят свои глаза из стекловидных белков, мечехвост использует кутикулу — тот же материал, из которого состоят его кожа и ноги.

Международная команда под руководством профессора Яэль Полити из центра B CUBE–Center for Molecular Bioengineering при Дрезденском техническом университете показала, что целый ряд изменений как в общей архитектуре, так и в локальном составе материала позволяет животному использовать кутикулу для создания оптических элементов. Результаты опубликованы в журнале Advanced Science.

Кутикула как оптический элемент

Фасеточные глаза состоят из массива линз, которые собирают свет с разных направлений и точно фокусируют его в одной точке, где расположены рецепторные клетки. Мечехвост использует для линз не типичные стекловидные белки, а перепрофилирует материал своего экзоскелета — кутикулу.

Артроподная кутикула — это композитный материал, состоящий из белков и кристаллического полимера хитина. Разные членистоногие настраивают этот композит под свои нужды, меняя его жёсткость или гибкость. Однако использование кутикулы для создания линз необычно.

Исследование адаптаций

Команда совместно с исследователями из Потсдама и Брно использовала крупные европейские синхротронные установки для анализа линз мечехвоста. Учёные изучили:

• Глобальную организацию слоёв кутикулы.
• Соотношение отдельных компонентов.
• Содержание воды.
• Элементный состав материала.

Были применены методы рентгеновской дифракции и флуоресценции, а также новый метод количественного фазового изображения для корреляции локальной структуры материала с его оптическими свойствами.

Результаты: комплекс адаптаций

Исследователи обнаружили не одну, а целый комплекс адаптаций на всех уровнях, позволяющих мечехвосту использовать кутикулу в качестве оптического элемента:

• Локальный состав: в частности, добавление брома (Bromine).
• Архитектура композита: изменение соотношения компонентов, организация белков, варьирующееся содержание воды.
• Общая форма линзы.

Всё это вместе превращает кутикулу в материал с превосходными оптическими свойствами. Более того, линзы из кутикулы работают настолько хорошо, что животному пришлось ввести пигменты, чтобы уменьшить количество собираемого света.

Цель исследования

Исследовательская группа профессора Полити стремится извлечь принципы проектирования из биоматериалов, учась у природы — «самого старого и опытного итеративного дизайнера в мире». В долгосрочной перспективе такие знания могут быть использованы для создания более совершенных материалов, которые менее сложны, легче перерабатываются и при этом работают не хуже необходимого.