甲殼類幼蟲“隱形”材料被發(fā)現(xiàn)，能助力人類實(shí)現(xiàn)“隱身”嗎？
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2023-05-05 16:25:30
|
你一定在電影中見過神奇的隱身衣吧，現(xiàn)實(shí)中人類如果想實(shí)現(xiàn)“憑空消失”，在科學(xué)上還需向前邁出一大步，研究人員也一直在為此努力，然而在海洋圈”隱身“生物卻有很多，甲殼類幼蟲甚至能將眼睛都隱形，近日科學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)了其中奧秘，原來“隱形”的背后是與這種材料有關(guān)。 甲殼幼蟲的“隱身”術(shù) 海洋中的許多生物都擁有透明的身體，用以逃脫捕食者的追捕。然而，他們也不是全身都透明，比如眼睛，需要對于視覺不可或缺的深色的色素，這成為水中生物的“軟肋”，對此，有一些透明生物演化出了一些巧妙的策略，例如減小眼睛和視網(wǎng)膜的尺寸和可見度。 近日，英國劍橋大學(xué)Johannes Haataja和以色列本•古里安大學(xué)Benjamin A. Palmer等研究者在Science 雜志發(fā)表論文，發(fā)現(xiàn)了甲殼類幼蟲讓眼睛隱形的新秘密——在不透明的眼睛色素上覆蓋的一種可調(diào)反射體。這種反射體由光子玻璃構(gòu)成，其中含有無數(shù)晶體異黃蝶呤納米球。通過改變納米球的大小和排列順序，可調(diào)節(jié)從深藍(lán)色到黃綠色的反射率，使其顏色與背景相匹配，達(dá)到偽裝的效果。此外，反射體還可以通過充當(dāng)感光器之間的光屏來增強(qiáng)眼睛的敏銳度或靈敏度，增強(qiáng)視力。這種多功能反射體為如何利用生物相容的有機(jī)分子構(gòu)建可調(diào)人工光子材料提供了靈感。該工作被選為Science雜志當(dāng)期封面。 反光偽裝 研究人員以多種甲殼類動(dòng)物幼蟲為例，包括羅氏沼蝦，龍蝦，蟹類等，展示了一種透明動(dòng)物的反光偽裝策略：利用光反射器覆蓋眼睛的深色部分，從而達(dá)到隱藏自身的目的。進(jìn)一步計(jì)算得出，這些生物的眼睛反射率，與采集區(qū)域不同深度的海水反射率在光譜上相匹配，從而與周圍水的顏色匹配。 眼睛反射體微觀結(jié)構(gòu) 反射體不需要反射所有波長的光線，這與甲殼類幼蟲生存環(huán)境有關(guān)。很多甲殼類生物如蝦、蟹等的幼蟲具備這種“偽裝”，其中典型的代表就是羅氏沼蝦（Macrobrachium rosenbergii）的幼蟲。 通過光學(xué)和低溫掃描電子顯微鏡，進(jìn)一步觀察了其微觀結(jié)構(gòu)特性。十足目動(dòng)物的幼蟲眼睛，由六邊形的眼睛單元構(gòu)成，這種單元稱為小眼。每個(gè)眼球的上半部分包含一個(gè)蛋白體，也就是結(jié)晶錐，用來引導(dǎo)光線至光感器上。研究顯示，在結(jié)晶錐的底部有一種高度反射的材料，且這種材料不在光路中，使得來自錐體的光可以通過底層光感受器。結(jié)晶錐底部的材料，也就是反射體，是由400 nm 左右的顆粒聚集而成，而這些納米球由結(jié)晶的異黃蝶呤組成。 反射體會(huì)明顯掩蓋部分眼色素，既起到“隱形”的作用，還可以在昏暗光線環(huán)境中提高幼蟲們自身的視力靈敏度。 有趣的是，這些眼睛反射體的晶體納米球在某種程度上是可調(diào)的。生活在淡藍(lán)色水中的幼蟲與生活在淡綠色水中的幼蟲，反射體中的納米球大小與排列略有不同，導(dǎo)致了反射波長的變化。比如納米球大小從~250 nm增加到~400 nm可以使這些幼蟲的眼睛顏色從藍(lán)色向黃綠色變化。 眼睛反射體中，晶體納米球的填充密度通常在50%~70%之間，這比我們通常認(rèn)為的緊密堆積的光子晶體低得多。研究者利用分子動(dòng)力學(xué)和時(shí)域有限差分法來模擬了納米球大小和填充密度與反射光譜之間的關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。值得注意的是，如果采用有序的光子晶體結(jié)構(gòu)作為反射層，會(huì)產(chǎn)生彩虹色，即顏色隨著視角而變化，并不利于自身視力和偽裝。而這種晶體異黃蝶呤納米球堆積形成的光子玻璃可以產(chǎn)生高效的、與角度無關(guān)的顏色，同時(shí)滿足透明度和緊湊性的要求。 在之前的報(bào)道中，這種結(jié)晶的異黃蝶呤組成的納米球，也存在于十足目動(dòng)物的成蟲中。異黃蝶呤是一種雙折射有機(jī)材料，具有迄今為止報(bào)道的生物材料中的最高折射率（n0=1.96）。單晶異黃蝶呤，圍繞中空核心排列成薄片，從而組裝構(gòu)成納米球。在發(fā)育過程中，根據(jù)生物體視覺生態(tài)的變化，這種材料可以滿足兩種不同的光學(xué)功能：幼蟲的隱身要求和成體的暗光視覺。 對人類的啟發(fā)和幫助 研究人員模擬眼睛反光偽裝的特性，進(jìn)行了光學(xué)建模。由于該納米球缺乏長程周期性，顯示出光子玻璃結(jié)構(gòu)的短程位置排序，使用分子動(dòng)力學(xué)模擬生成了光子玻璃，其與眼睛里的納米球大小、各種填充分?jǐn)?shù)以及結(jié)構(gòu)都類似。結(jié)果顯示，與固體各向同性顆粒相比，使用空心和空心雙折射球體的模擬光子玻璃，可見峰強(qiáng)度增強(qiáng)，同時(shí)紅外峰被抑制。 “這種適應(yīng)性很強(qiáng)的眼睛結(jié)構(gòu)可以幫助幼蟲在海洋中不被察覺，晚上，甲殼類動(dòng)物遷移到淺水區(qū)覓食，并在太陽升起時(shí)潛回深水中”，佛羅里達(dá)國際大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家 Heather Bracken-Grissom評論道，“這是一種巧妙的偽裝自己的方法”。通過模仿自然界，人類或許可以開發(fā)和優(yōu)化出更好的光子材料，用于太陽能、通信、遙感和其他相關(guān)技術(shù)。 大自然中其他神奇的隱形動(dòng)物 玻璃章魚 玻璃章魚（學(xué)名：Vitreledonella richardi）的得名，便是因?yàn)槠渖眢w幾乎完全透明。這種凝膠狀的章魚能長到45厘米長——如果算上觸手的話。它們分布在熱帶和亞熱帶海域，在300米到1000米之間的深度活動(dòng)。除了消化系統(tǒng)、視神經(jīng)和眼睛。玻璃章魚并不是唯一能偽裝眼睛的透明動(dòng)物。許多透明的軟體動(dòng)物會(huì)用鏡面結(jié)構(gòu)來偽裝眼睛，因?yàn)殓R面在開闊大洋中更多是反射海水，使眼睛變得隱形。 玻璃魷魚 小頭烏賊又名小頭魷。魷魚中也有許多透明的成員，主要屬于小頭烏賊科（Cranchiidae，它們又被稱為“玻璃魷魚”），大約有60個(gè)物種，都幾乎可以一眼看透。這些魷魚生活在世界各個(gè)開闊大洋區(qū)域，生活深度為200米到1000米之間。盡管身體完全透明，但它們的大眼睛卻不是透明的，在下方游動(dòng)的掠食者可以很容易發(fā)現(xiàn)眼睛投下的影子。不過，玻璃魷魚有一種聰明的偽裝方式。它們能利用眼睛下方的發(fā)光體制造出“發(fā)光消影”（counter-illumination）的效果。 樽海鞘 樽海鞘是幾乎完全透明的桶狀生物，其身體呈凝膠狀，通過吸入和排出海水，它們能夠同時(shí)游動(dòng)和攝食。樽海鞘依靠濾食海水中的浮游植物為生。盡管看起來有點(diǎn)像水母，但它們其實(shí)更為復(fù)雜，并且與魚類和脊椎動(dòng)物關(guān)系更加密切。它們還能進(jìn)行有性繁殖。 寬肌紐鰓樽 有時(shí)候，身體透明還不夠，生物體需要其他方法來使自己保持隱形。端足類亞目的物種就演化出了另一種有效的方法。這類微小的甲殼類動(dòng)物身體透明，外形與蝦很類似。不過，即使是一塊透明的玻璃，你也可以根據(jù)上面反射的光亮來發(fā)現(xiàn)它的存在。在海洋中這是一個(gè)不容忽視的問題，因?yàn)樵S多掠食者會(huì)利用生物發(fā)光來搜尋獵物。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_526174.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
相關(guān)新聞
- [2024-06-28]·湖北宜化擬公開掛牌轉(zhuǎn)讓降解新材
- [2024-06-28]·廣信股份公開一項(xiàng)聚氨酯農(nóng)藥微膠
- [2024-06-28]·伊之密與海爾再度攜手，共筑智能
- [2024-06-28]·全球首列！更輕更節(jié)能的碳纖維地
- [2024-06-28]·稀土紅外反射中空隔熱聚酰胺纖維
- [2024-06-28]·盛禧奧在意大利開設(shè)PMMA先進(jìn)回收
- [2024-06-28]·APS Elastomers推出新的耐高溫T
- [2024-06-28]·杜邦FROTH-PAK?環(huán)保型低壓雙組
- [2024-06-27]·科學(xué)家創(chuàng)制出無疲勞鐵電材料?有
- [2024-06-27]·亞納米尺度全暴露Pt團(tuán)簇高效催化
主辦單位：山東省化工情報(bào)信息協(xié)會(huì)
山東省濟(jì)南市文化東路80號郵編：250014電話：0531—86399950、86399980、86399990傳真：0531—86399186
山東化工網(wǎng)在線交流：
Copyright(C)山東省化工情報(bào)信息協(xié)會(huì) 版權(quán)所有 備案號：魯ICP備2021036540號
山東省濟(jì)南市文化東路80號郵編：250014電話：0531—86399950、86399980、86399990傳真：0531—86399186
山東化工網(wǎng)在線交流：
Copyright(C)山東省化工情報(bào)信息協(xié)會(huì) 版權(quán)所有 備案號：魯ICP備2021036540號
魯公網(wǎng)安備 37010202001033號