Крошечные кристаллические структуры вокруг светоизлучающих органов глубоководных рыб — это не просто светоотражающие зеркала, они могут стать основой для эффективных биомиметических оптических устройств. Примерно 75% морских организмов обладают способностью к биолюминесценции и имеют специализированные светоизлучающие органы, называемые фотофорами. Они используют свет для различных целей: привлечения партнеров, приманки добычи или сбивания с толку хищников.
У биолюминесцентных рыб также есть особые кристаллические структуры, называемые гуаниновыми тельцами, которые играют ключевую роль в излучении света. У всех биолюминесцентных рыб есть фотофоры и тельца, но их количество, расположение и форма различаются.
В статье, опубликованной в Biointerphases, исследователь из Университета Хиросимы внимательно изучил светоизлучающий орган глубоководной рыбы под названием гоностома (Sigmops gracilis), чтобы выявить слои локализованных гуаниновых пластинок, которые не просто отражают свет — они сложным образом рассеивают его.
«Изучая глубоководных рыб на борту исследовательского судна, я понял, что важные открытия невозможно сделать, используя только лабораторные материалы, — сказал автор исследования Масакадзу Ивасака. — Этот опыт побудил меня заняться новым направлением — биомиметикой, вдохновленной неизвестными явлениями, наблюдаемыми в естественной среде».
Ивасака уже 20 лет изучает кристаллы гуанина у рыб. Он выдвинул гипотезу, что они могут играть важную роль в биолюминесценции.
«Как мои собственные наблюдения, так и предыдущие исследования показали, что кристаллы гуанина могут образовывать слои на поверхности фотофоров у некоторых видов рыб, — говорит Ивасака. — В этом исследовании я подтвердил сильное анизотропное отражение, то есть отраженный свет значительно меняется в зависимости от направления, в котором он падает. Это указывает на то, что кристаллы гуанина играют ранее не изученную роль в контроле направления света».
Гуаниновые пластинки, которые Ивасака исследовал на рыбе, представляют собой игольчатые структуры, сосредоточенные вокруг органов свечения. Когда свет попадает на кристаллы гуанина, их форма вызывает светорассеяние.
«В ранних работах я показал, что кристаллы гуанина из чешуи золотой рыбки действуют как крошечные зеркала, обеспечивая анизотропное отражение благодаря своей слегка наклонной ориентации, — говорит Ивасака. — В отличие от них, кристаллы с большим соотношением сторон, которые я изучаю сейчас, ведут себя скорее как призмы, перенаправляя свет, а не просто отражая его. Их слоистая структура обладает свойствами, схожими со свойствами фотонных кристаллов».
Слоистые кристаллические гуаниновые пластинки дают представление о высокоэффективных биомиметических конструкциях, которые не просто отражают излучаемый свет, а максимально используют и перерабатывают рассеянный свет.
Ивасака использовал электромагниты для проверки различных вариантов ориентации кристаллов гуанина и воздействовал на них внешним источником света, чтобы зафиксировать результаты рассеяния под разными углами. Поскольку эти крошечные структуры находятся в воде, результаты исследования могут быть полезны при разработке имплантируемых биомедицинских устройств.
«Несмотря на то, что глубоководную рыбу сложно добыть, исследования в этой области очень перспективны, — говорит Ивасака. — Изучение гуанина в различных видах рыб позволит получить ценную информацию о биомиметике».
