» » Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Окружающий мир наполнен объектами миллионов цветов и оттенков. Их разнообразие окажется еще шире, если учесть, что многие насекомые и птицы видят в ультрафиолетовой части спектра. Эта статья посвящена тому, как получаются все эти цвета и переливы в живой природе — благодаря законам оптической физики и хитроумному устройству живых клеток и тканей, созданному биологической эволюцией.


Химия и физика цвета

Цвет объекта может формироваться при участии двух механизмов. Более широко известный и в некотором смысле более привычный для нас — химический. Он связан со способностью некоторых молекул избирательно поглощать, отражать или излучать свет с определенной длиной волны. Так определяется, например, цвет самых обычных красок для рисования. Биологические молекулы с такими свойствами называют пигментами. У растений это в основном хлорофиллы (имеют зеленый цвет), каротиноиды (желтые, оранжевые и красные) и флавоноиды (дают разные оттенки желтого, синего или фиолетового цвета). У животных это преимущественно разные варианты меланина, имеющие желтый, оранжевый, красный или коричнево-черный цвет. Пигменты синего цвета у представителей этого царства появляются лишь как крайне редкие исключения. Помимо «обычных» окрашенных веществ некоторые животные и грибы производят флуоресцирующие, которые не отражают падающий на них свет, а поглощают, а затем излучают собственный свет с другой длиной волны. Особенно в этом преуспели медузы, некоторые морские рыбы и моллюски.

Второй способ формирования окраски — структурный. Цвет, образованный таким способом, зависит не от химических свойств молекул, а от структуры поверхностей, на которые падает свет от источника. Другое название структурного способа формирования цвета — иридесценция, или иризация. Объяснение этому явлению предложил в 1803 году английский физик Томас Юнг, одна из важнейших заслуг которого — доказательство волновой природы света посредством демонстрации явления интерференции световых волн.

Во всех случаях основой иридесценции служат наноструктуры в форме ребер, волокон, пластинок, организованных в регулярно расположенные ряды или решетки (в физике структуры такого типа называют фотонными кристаллами). Важно, что линейные размеры чередующихся элементов решетки и пространств между ними близки к длинам волн светового спектра. Фотонные кристаллы создают специфические оптические эффекты, такие как дифракция и интерференция (подробнее механизмы формирования структурного цвета освещены в статье «Структурная окраска», «Химия и жизнь» №11, 2010). Для возникновения эффекта интерференции необходимо, чтобы световые волны, многократно отраженные от элементов решетки, оказывались в одинаковой фазе. Амплитуды волн, для которых данное условие соблюдается, суммируются, а длины этих волн определяют основной визуально воспринимаемый цветовой фон.

Общий физический механизм определяет как переливчатую окраску некоторых природных минералов (перламутра и жемчуга, лунного камня, опала), так и структурный цвет наружных покровов множества живых организмов. Примеры такой окраски чрезвычайно многочисленны, и природа наноструктур, обеспечивающих эту окраску, также бывает самой разнообразной.

Оттенки и яркость структурно определяемого цвета могут меняться при изменении угла, под которым зритель находится к объекту: вспомните, как переливаются от сизого к зеленому перья на крыльях скворцов или на шее селезня. Иридесценция, помимо раскрашивания объекта в разные цвета, может также создавать эффекты блеска (как у вишневого долгоносика) или зеркальности (наблюдается у многих рыб).

Радужные переливы и металлический блеск достигаются за счет особенностей конфигурации многослойной трехмерной структуры дифракционных решеток. Посмотрите, например, на красавицу морскую мышь из типа многощетинковых червей. На латинском языке ее вполне заслуженно именуют Aphrodita (полное видовое название — Aphrodita aculeata) за красивое обрамление из ворсинок, переливающихся всеми цветами радуги (рис. 1). Правда, если это животное вынуть из воды, магия исчезает. Среда, в которой происходит преломление лучей света, критична для этого механизма окраски: в другой среде она может и не проявиться (T. Lu et al., 2016. Bio-inspired fabrication of stimuli-responsive photonic crystals with hierarchical structures and their applications).

Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 1. Многощетинковый червь морская мышь (Aphrodita aculeatа). А — внешний вид в естественной среде обитания (фото с сайта vistaalmar.es). Б — фото «разноцветных» ворсинок под увеличением (фото с сайта quekett.org). В — срез ворсинки под электронным микроскопом. Хорошо видна регулярная структура в виде решетки из шестиугольных ячеек. Фото из статьи T. Lu et al., 2016. Bio-inspired fabrication of stimuli-responsive photonic crystals with hierarchical structures and their applications


Иридесценция существенно расширяет спектр возможных окрасов по сравнению с использованием только лишь пигментов. Еще более широкие горизонты открывает сочетание химического и структурного цветов. Например, зеленый в окраске многих амфибий и рептилий формируется за счет пропускания лучей синего структурного цвета через вышележащий слой клеток с желтым пигментом. У насекомых механизм получения сходных оттенков может отличаться. Так, блестящая зеленая окраска крыльев бабочек Papilio palinurus (парусник Палинур) получается за счет визуального смешения синих и желтых лучей, отражаемых структурами поверхности чешуек крыла по механизму иридесценции. Две разные световые волны отражаются от разных частей вогнутой поверхности светоотражающих наноструктур (рис. 2). Смешанный структурный цвет используется и некоторыми видами жуков.


Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 2. Смешивание структурного цвета в окраске насекомых. А — внешний вид бабочки Papilio palinurus. Б — схематичное изображение поверхности чешуйки Papilio palinurus с выемками, образующими иридесцирующие светоотражатели. В — схематичное изображение светоотражающей выемки на чешуйках Papilio palinurus в поперечном разрезе. Поскольку угол отражения на краях и в центре различен, неодинаковы и длины интерферирующих волн. Они создают максимумы в желтой области спектра при отражении от центра ямки и в синей области — при отражении от краев. Визуально смесь лучей желтого и синего цвета воспринимается как зеленое мерцание. Г — пестро-мерцающая смешанная окраска на надкрыльях жука Pachyrhynchus gemmatus; Д — цветное пятно на надкрыльях жука Pachyrhynchus gemmatus при увеличении в оптическом микроскопе. А, Б, В — с сайта en.wikipedia.org; Г, Д — из статьи A. E. Seago et al., 2009. Gold bugs and beyond: a review of iridescence and structural colour mechanisms in beetles (Coleoptera)


Структурная окраска: живые примеры

Иридесценция встречается как среди животных, так и среди растений. Некоторые примеры структурной окраски у животных уже были продемонстрированы выше, а на рисунке 3 показан еще ряд случаев. Обладателей структурного цвета можно встретить среди морских и сухопутных, позвоночных и беспозвоночных, сидячих и подвижных представителей животного мира. В каждом случае за формирование цвета отвечают разные типы тканевых структур и элементов: в одном случае это компоненты межклеточного вещества (хитин или коллаген), в других — внутриклеточные структуры.


Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 3. Примеры иридесценции у животных. А — обыкновенный павлин (Pavo cristatus). Иридесценция обеспечивается правильным расположением волокон кератина в клетках пера. Иллюстрации с сайтов webexhibits.org, didyouknowblog.com. Смотрите также Павлин-лейкист. Б — бабочка морфо Пелеида (Morpho peleides). Ее голубой цвет создается структурированием хитинового слоя на чешуйках крыла, по типу светоотражающей дифракционной решетки. Иллюстрация с сайта danaida.ru. В — вишневый долгоносик (Epirhynchites (Rhynchites) auratus). Переливы между зеленым и фиолетовым определяются структурой хитина, формирующей окраску по типу многослойного отражателя. Иллюстрация с сайта macroclub.ru. Г — голубой неон (Paracheirodon innesi). Зеркальный эффект связан с присутствием регулярно расположенных светоотражающих кристаллов гуанина в чешуе. Иллюстрация с сайта en.wikipedia.org. Д — мандрил (Mandrillus sphinx). Необычный синий цвет кожи на лице определяется регулярными рядами коллагеновых волокон в межклеточном веществе. Такая окраска присуща только самцам и появляется с достижением половозрелости. Иллюстрация с сайта justfunfacts.com


У растений явление иридесценции тоже имеет место, причем гораздо чаще, чем может показаться на первый взгляд. Достаточно указать, что цвет хвои такой привычной голубой ели — это именно результат структурной окраски. Целенаправленные исследования показывают, что в каждом семействе имеется как минимум один вид, демонстрирующий структурную окраску листьев, цветов или плодов. Красивая голубая иридесценция обнаружена даже у красной водоросли Chondrus crispus (традиционно называемой «ирландским мхом»). Некоторые другие частные случаи показаны на рисунке 4. В пояснении к рисунку описаны разнообразные механизмы, определяющие появление структурного цвета в каждом из показанных примеров. Более подробно о данных механизмах можно прочесть в статьях H. M. Whitney et al., 2016. Flower Iridescence Increases Object Detection in the Insect Visual System without Compromising Object Identity и B. J. Glover and H. M. Whitney, 2009. Structural colour and iridescence in plants: the poorly studied relations of pigment colour, а также в картинке дня Иридесценция листьев бегонии.


Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 4. Примеры иридесценции у растений. А — плоды тропического растения Pollia condensata. Как это ни странно, в кожице плода совершенно отсутствуют пигменты. Цвет обеспечивается регулярно расположенными целлюлозными структурами — иридосомами, расположенными в пространстве между мембраной клеток и клеточной стенкой. Каждая иридосома представляет собой трехмерный фотонный кристалл. В левом нижнем углу рисунка показан фрагмент кожицы плода при рассмотрении под микроскопом. Иллюстрация с сайта the-scientist.com. Б — листья папоротника Selaginella willdenowii. Голубой отлив характерен только для молодых листьев, растущих в тени. Он обеспечивается регулярной укладкой целлюлозных волокон в клеточной стенке. Иллюстрация с сайта the-scientist.com. В — голубая ель (Picea pungens). Цвет хвои связан с наноструктурой воскового налета, покрывающего иголочки. Иллюстрация с сайта mygazeta.com. Г — листья бегонии Begonia pavonina. Голубой отлив создается особыми хлоропластами (иридопластами). Они более плоские, чем обычные хлоропласты. Тилакоиды в них расположены регулярно и работают как светоотражатели (M. Jacobs et al., 2016. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency). Иллюстрация с сайта twitter.com. Д — цветок гибискуса тройчатого (Hibiscus trionum). Центральная часть цветка не содержит пигментов. Эффект иридесценции на ней создается за счет частичного наложения концентрических рядов клеток эпидермиса лепестков друг на друга, создающего ребристость поверхности лепестка. Иллюстрация с сайта ru.wikipedia.org. Е — цветок Moraea villosa из семейства Ирисовые. В зависимости от освещения лепестки визуально приобретают разные оттенки. Иллюстрация с сайта growingcoolplants.blogspot.com. Ж — орхидея Orphys speculum. Иллюстрация с сайта pinterest.com. Механизм формирования иридесценцентного окрашивания в случае Е и Ж аналогичен таковому у гибискуса (пример Д)


Функция и эволюция иридесцентной окраски

Биологический смысл структурной окраски разнообразен: это и камуфляж, помогающий скрываться от хищников или оставаться незаметным для жертвы при охоте, и коммуникативный сигнал, позволяющий привлекать партнеров для спаривания или отпугивать соперников, и терморегуляция за счет контроля количества поглощаемых через поверхность тела фотонов. Растениями иридесценция используется для привлечения насекомых-опылителей, а также фруктоядных животных, помогающих распространять семена. Также структуры, которые избирательно отражают или рассеивают свет, могут быть полезны для оптимизации спектра лучей, поглощаемых листьями при фотосинтезе. По-видимому, сходную функцию выполняет структурная окраска мантии у гигантских двустворчатых моллюсков тридакн (род Tridacna, см. рис. 5), которые значительную часть органики получают от симбиотических водорослей рода Symbiodinium (A. L. Holt et al., 2014. Photosymbiotic giant clams are transformers of solar flux).


Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 5. Иридесценция у гигантских тридакн (Tridacna gigas). Иллюстрация с сайта pinterest.com


Вместе с тем в некоторых случаях иридесценция, по-видимому, возникает просто как следствие эволюции каких-то свойств, не связанных с оптическими функциями: например, структурированная поверхность может приобретать водоотталкивающие свойства и при этом создавать эффект иридесценции. То же можно предположить и по поводу переливов на тонких прозрачных крылышках стрекоз — иридесценция здесь возникает по тому же механизму, что и переливы в тонкой пленке мыльного пузыря или в луже с разлитым бензином.

Полезность и достаточно высокая вероятность получения структурной окраски вполне очевидна, с учетом того, как много раз она возникала у самых разных организмов. В обширном обзоре, посвященном явлению иридесценции у жуков, приводится филогенетическое дерево (рис. 6), которое впечатляет многократностью и спектром механизмов структурной окраски в пределах одного лишь этого отряда (A. E. Seago et al., 2009. Gold bugs and beyond: a review of iridescence and structural colour mechanisms in beetles (Coleoptera)).


Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 6. Филогенетическое дерево отряда жуков с отмеченными событиями возникновения структурной окраски. Треугольники, квадратики и кружки отмечают иридесценции по механизму дифракционной решетки, многослойного отражателя и трехмерного фотонного кристалла соответственно. Рисунок из статьи A. E. Seago et al., 2009. Gold bugs and beyond: a review of iridescence and structural colour mechanisms in beetles (Coleoptera)


Обратимые изменения структурного цвета: причины и механизмы

Некоторые животные способны изменять цвет, в том числе и определяемый структурно. Иногда эти изменения необратимы и зависят от возраста, но особенно интересны случаи обратимого изменения цвета, которые происходят в ответ на некоторые события во внешней среде. Реакция такого типа может быть пассивной — как следствие непосредственного влияния тех или иных параметров среды на физические параметры иридесцирующих структур. Например, жук-геркулес (Dynastes hercules, рис. 7) имеет зеленовато-рыжий цвет при обычной влажности, однако если влажность воздуха превышает 80%, окраска меняется на черную из-за заполнения влагой воздушных полостей в структуре хитинового покрова надкрыльев (M. Rassart et al., 2008. Diffractive hygrochromic effect in the cuticle of the hercules beetle Dynastes hercules).


Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 7. Переменчивая структурная окраска жуков. Вверху: жук-геркулес (Dynastes hercules); его окраска меняется с зеленовато-оранжевой на черную при повышенной влажности. Фото из статьи M. Rassart et al., 2008. Diffractive hygrochromic effect in the cuticle of the hercules beetle Dynastes hercules. Внизу слева: жуки-черепашки рода Charidotella (цифрами 1–4 помечены фотографии одной и той же особи в разные моменты времени). Их окраска меняется с золотой на красную при различных стрессовых воздействиях. Рядом отображена общая схема, объясняющая механизм перемены окраски у продемонстрированных видов жуков. Фото с сайта pinterest.com, схема из статьи H. Fudouzi, 2011. Tunable structural color in organisms and photonic materials for design of bioinspired materials


Жуки-черепашки рода Charidotella тоже имеют переменчивую окраску. Однако в этом случае механизм изменения цвета активный, то есть зависит от физиологического контроля (рис. 7, нижняя левая часть рисунка). В обычном состоянии они сверкают золотом. Но если им становится холодно или голодно, или если их потревожить, блеск исчезает, а ярко-желтый оттенок сменяется оранжевым, и затем красным, у некоторых видов — еще и с черными точками. Оказалось, дело в том, что в обычном состоянии полости микроструктуры хитинового покрова их надкрыльев заполнены жидкостью (гемолимфой). При этом надкрылья отражают свет подобно зеркалу, с иридесценцией в желтой области спектра. Но при стрессе происходит отток жидкости из полостей, и они заполняются воздухом (к сожалению, пока не совсем ясно, как именно это происходит), при этом надкрылья перестают действовать как отражатели и становятся просто прозрачными. Сквозь них становится видна красная окраска брюшка жука (она может быть равномерной или нести «рисунок»). В данном случае смена окраски, по-видимому, зависит от нейрогуморальных сигналов, возникающих в ответ на стресс (J. P. Vigneron et al., 2007. Switchable reflector in the Panamanian tortoise beetle Charidotella egregia (Chrysomelidae: Cassidinae)).

Самые известные мастера по изменению цвета, это, пожалуй, головоногие моллюски (к ним относятся осьминоги, кальмары и каракатицы (рис. 8)) и хамелеоны (семейство Chamaeleonidae, фото в самом верху). И здесь снова не обошлось без структурного цвета. Рассмотрим эти случаи подробнее.


Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 8. Хамелеон (на фото в самом начале статьи) и каракатица — короли цвета в мире животных. Фото с сайта justingilligan.photoshelter.com


Механизм изменения цвета, который используют хамелеоны (рис. 9), был расшифрован в 2015 году (J. Teyssier et al., 2015. Photonic crystals cause active colour change in chameleons). В коже хамелеонов обнаружено 3 слоя пигментных клеток. Верхний слой — хроматофоры, содержит черные, красные и желтые пигменты. Под ним располагается два слоя клеток-иридофоров, содержащих кристаллы гуанина. В верхнем из двух слоев иридофоров кристаллы мелкие, они располагаются в форме правильной решетки и создают эффект волновой интерференции. От близости расположения кристаллов в решетке зависит, какой длины лучи интерферируют положительно и отражаются наиболее интенсивно. Отраженные лучи, проходя через выше расположенные хроматофоры, способны создать богатую гамму оттенков, плавно сменяющих друг друга. Самый нижний слой иридофоров содержит более крупные кристаллы гуанина, расположенные менее регулярно. От этих клеток зависит уровень поглощения или отражения инфракрасных лучей кожей хамелеона. Таким образом хроматофоры, по-видимому, участвуют в терморегуляции животного.


Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 9. Строение кожи и механизм изменения цвета у хамелеона (семейство Chamaeleonidae). А — изменение цвета самцов от зеленого к красному при переходе из спокойного в возбужденное состояние. Б — поперечный срез кожи хамелеона; S-irid. — верхний слой иридофоров с мелкими кристаллами гуанина, D-irid. — нижний слой иридофоров с крупными кристаллами. В и Г — структура решетки кристаллов в иридофорах, излучающих в коротковолновой (синей) и длинноволновой (красной) областях спектра. Д — кристаллы гуанина в D-иридофорах. Иллюстрация из статьи J. Teyssier et al., 2015. Photonic crystals cause active colour change in chameleons


В организме хамелеона существует и система контроля окрашивания. Кристаллы гуанина связаны с микротрубочками цитоскелета иридофоров, и именно перестройки в цитоскелете в ответ на изменения гормонального фона при возбуждении самца и приводят к смене цветовой гаммы отражаемого света. О некоторых интересных деталях этого исследования рассказывается в видео.

Механизм изменения цвета головоногих моллюсков раскрывается в статье D. G. DeMartini et al., 2013. Dynamic biophotonics: female squid exhibit sexually dimorphic tunable leucophores and iridocytes. В коже этих животных также имеется поверхностный слой с хроматофорами, содержащими желтые, красные и коричнево-черные пигменты, а под ним расположен слой, содержащий иридофоры и лейкофоры. Иридофоры создают интерференцию для узкого спектра волн, а лейкофоры интенсивно отражают полный спектр, создавая визуально белую окраску. Опять же, видимая окраска тела животного создается за счет комбинирования структурного и химического цвета. Принципиальное сходство механизмов достаточно очевидно.

Между тем, мы здесь сталкиваемся с одним из удивительных случаев конвергентного появления сложных адаптаций. Головоногие развили способность к изменению окраски кожи независимо и на иной биохимической базе, нежели хамелеоны, о чем свидетельствует ряд важных отличий.

Во-первых, отражающая наноструктура формируется у осьминогов, кальмаров и каракатиц не из кристаллов гуанина, как у хамелеонов, а из складок цитоплазматической мембраны клеток-иридофоров, в которых находятся специфичные для головоногих моллюсков белки рефлектины (см. reflectin). Лейкофоры содержат те же рефлектины, но складок на их мембранах не формируется, так что отраженный ими свет просто рассеивается во всех направлениях. Изменение длины волны отражаемого иридофорами света происходит при ковалентном присоединении фосфатных групп к рефлектинам. Эта модификация меняет конформацию и растворимость этих белков, что в свою очередь вызывает изменение частоты складок клеточной мембраны, а следовательно, меняется и светоотражение.

Вторая особенность кожи головоногих моллюсков — наличие специальных хроматофорных органов, которык не встречаются в других группах живых организмов. Каждый хроматофорный орган имеет диаметр до нескольких миллиметров в расправленном состоянии и состоит из большого числа клеток, содержащих один тип пигмента. Площадь поверхности хроматофорного органа может меняться благодаря окружающим его концентрическим и радиальным пучкам мышечных волокон (рис. 10). При сокращении мышечного кольца площадь поверхности хроматофора может уменьшаться в сотни раз (см. видео). У хамелеонов и других позвоночных пигмент либо концентрируется в центре пигментной клетки, либо распределяется по всей ее цитоплазме, тем самым обеспечивая уменьшение или увеличение выраженности окрашивания соответствующего участка кожи.


Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 10. Структура кожи и механизм изменения цвета у головоногих моллюсков на примере кальмара Doryteuthis opalescens. АГ — кожа кальмара в разных состояниях. На фото А хорошо видны мышцы, окружающие «сжатый» хроматофор. При сокращении этих мышц хроматофоры расправляются и формируют цветные пятна. На Б и В видна разнообразная окраска кожи, создаваемая нижележащим слоем иридофоров. На Г показана белая окраска, создаваемая лейкофорами. Д — схема прохождения света через хроматофорный слой кожи и отражения в нижнем слое кожи (с иридофорами и лейкофорами) в двух разных состояниях. Е — структура поверхности клеток иридофоров, видимая в электронном микроскопе у самцов (вверху) и самок (внизу). Ж — участки тела кальмаров (самца и самок), у самок отмечены участки, где иридесценция наиболее яркая. AД — иллюстрации с сайта informationdisplay.org; Е, Ж — иллюстрации из статьи D. G. DeMartini et al., 2013. Dynamic biophotonics: female squid exhibit sexually dimorphic tunable leucophores and iridocytes


Система регуляции окраски кожи у головоногих моллюсков устроена сложнее, чем у хамелеонов. Центральная нервная система в ней играет более существенную роль, обеспечивая гораздо более тонкие и разнообразные реакции на сигналы внешней среды. По-видимому, определенную роль играет также и автономная реакция кожи на внешнее окружение. Было доказано, что клетки кожи головоногих экспрессируют родопсин и обладают способностью к фоторецепции и автономным адаптивным реакциям на визуальные стимулы (A. C. N. Kingston et al., 2015. An Unexpected Diversity of Photoreceptor Classes in the Longfin Squid, Doryteuthis pealeii). Впрочем, фоточувствительные хроматофоры и иридофоры, экспрессирующие белки-опсины и способные к автономным реакциям, известны и среди рыб, в том числе у голубого неона и радужной форели (см., например, A. Kasai and N. Oshima, 2006. Light-sensitive Motile Iridophores and Visual Pigments in the Neon Tetra, Paracheirodon innesi).


От живой природы к творениям рук человеческих

В заключение стоит отметить, что природная иридесценция служит источником вдохновения для специалистов в области материалов, а также компонентов различных электронных устройств. На самом деле существует целый раздел технологии, опирающийся на имитацию природных явлений (иридесценция — лишь один из множества возможных примеров) при создании приборов и искусственных материалов. Он называется бионикой или биомиметикой.

Принцип иридесценции используется при создании цветных голограмм, которые наклеивают на товары с целью защиты от подделок, а также декоративных материалов вроде переливающихся тканей или искусственного перламутра, красок для автомобилей и лаков для ногтей и тому подобного. Искусственные фотонные кристаллы с переменной конфигурацией решетки используют в некоторых специальных типах сенсоров, индикаторов и переключателей, способных реагировать на изменения температуры, влажности, кислотности, электрические или магнитные поля.

В 2014 году было предложено индикаторное колориметрическое устройство, которое реагирует изменением цвета в зависимости от присутствия в среде летучих органических веществ (например, метанола или изопропилового спирта), или даже инфекционных частиц (J.-W. Oh et al., 2014. Biomimetic virus-based colourimetric sensors). Светоотражающий элемент этого устройства представлен волокнистым материалом, образованным из особым образом видоизмененных частиц фага M13 (фаги — это вирусы бактерий). Волокна полученного материала уплотняются или, наоборот, «разбухают» при контакте со специфическими молекулами благодаря особенностям белка вирусной оболочки — капсида. Изменение конфигурации решетки материала, вызванное этими переходами, приводит к изменению цвета индикатора. Индикатор содержит полоску с четырьмя сегментами, отличающимися исходной структурой материала, и каждый сегмент реагирует определенным образом на водяной пар или конкретные органические соединения. Чтобы провести необходимый анализ, требуется сфотографировать индикатор обычной камерой (например, на смартфон), а затем считать полученный спектр специально разработанной программой для обработки изображений. Авторы назвали свое изобретение «фаговым лакмусом». А в качестве прототипа-вдохновителя исследователи указывают... индюка, цвет кожи на шее которого служит «лакмусом» его настроения и меняется благодаря изменениям плотности расположения волокон коллагена при расширении или сужении сосудов кожи (рис. 11).


Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 11. Разработка «фагового лакмуса». А — индюк, вдохновитель изобретения. Его кожа красная, когда птица возбуждена, а когда успокаивается, синеет, благодаря формированию компактной укладки волокон коллагена, создающих эффект иридесценции. Б — схема работы индикатора, построенного из волокон на основе фаговых частиц. В — изменения цвета «фагового лакмуса» в присутствии паров различных веществ. Иллюстрация из статьи J.-W. Oh et al., 2014. Biomimetic virus-based colourimetric sensors


В том же 2014 году, вдохновившись жуком-геркулесом (см. выше, рис. 7), другая команда исследователей (L. Bai et al., 2014. Bio-Inspired Vapor-Responsive Colloidal Photonic Crystal Patterns by Inkjet Printing) изобрела специальные чернила для печати, меняющие цвет при воздействии паров этилового спирта, предлагая использовать их, например, для маркировки продукции в целях защиты от подделок (рис. 12).


Т. Романовская Структурный цвет в живой природе

Рис. 12. Печать с использованием чернил, меняющих цвет под действием паров этанола. Рисунок из статьи L. Bai et al., 2014. Bio-Inspired Vapor-Responsive Colloidal Photonic Crystal Patterns by Inkjet Printing


В 2017 году была изобретена пленка с нанопокрытием из силиконовых частичек, которая работает как индикатор влажности, причем авторы экспериментально показали, что индикатор продолжал эффективно работать после 250 циклов увлажнения и высушивания (H. Seo and S.-Y. Lee, 2017. Bio-inspired colorimetric film based on hygroscopic coloration of longhorn beetles (Tmesisternus isabellae)). На этот раз источником вдохновения стал жук Tmesisternus isabellae, чьи надкрылья при изменениях влажности меняют цвет от металлического зеленого до металлического красного (принцип в этом случае тот же, что у жука-геркулеса).

Некоторые технические решения, основанные на принципах иридесценции, находятся в состоянии разработки или еще ждут своего изобретателя. С использованием этого явления потенциально могут быть созданы дисплеи с новым принципом цветопередачи, материалы-хамелеоны, которые бы меняли цвет в зависимости от параметров окружающей среды, многоразовая бумага без электронных микросхем, записи на которой можно было бы стирать и наносить вновь, и многое другое. В библиотеках современной научной литературы как биологического, так и технического профиля, можно найти еще немало работ с конкретными разработками или обзорами в русле использования необычных свойств иридесцирующих структур, обнаруживаемых в живой природе.

Литература:

1. Е. К. Герман. «Структурная окраска», «Химия и жизнь» №11, 2010.

2. T. Lu, W. Peng, S. Zhu, and D. Zhang. Bio-inspired fabrication of stimuli-responsive photonic crystals with hierarchical structures and their applications // Nanotechnology. 2016. V. 27. No. 12. P. 122001.

3. A. E. Seago, P. Brady, J.-P. Vigneron, and T. D. Schultz. Gold bugs and beyond: a review of iridescence and structural colour mechanisms in beetles (Coleoptera) // J. R. Soc. Interface. Apr. 2009. V. 6. Suppl 2. P. S165–S184.

4. H. M. Whitney, A. Reed, S. A. Rands, L. Chittka, and B. J. Glover. Flower Iridescence Increases Object Detection in the Insect Visual System without Compromising Object Identity // Curr. Biol. Mar. 2016. Vol. 26. No. 6. P. 802–808.

5. B. J. Glover and H. M. Whitney. Structural colour and iridescence in plants: the poorly studied relations of pigment colour // Ann. Bot. Apr. 2010. V. 105. No. 4. P. 505–511.

6. M. Jacobs, M. Lopez-Garcia, O.-P. Phrathep, T. Lawson, R. Oulton, and H. M. Whitney. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency // Nat. Plants. Oct. 2016. V. 2. No. 11. P. 16162.

7. A. L. Holt, S. Vahidinia, Y. L. Gagnon, D. E. Morse, and A. M. Sweeney. Photosymbiotic giant clams are transformers of solar flux // J. R. Soc. Interface. Dec. 2014. V. 11. No. 101.

8. M. Rassart, J.-F. Colomer, T. Tabarrant, and J. P. Vigneron. Diffractive hygrochromic effect in the cuticle of the hercules beetle Dynastes hercules // New J. Phys. 2008. V. 10. No. 3. P. 033014.

9. J. P. Vigneron et al. Switchable reflector in the Panamanian tortoise beetle Charidotella egregia (Chrysomelidae: Cassidinae) // Phys. Rev. E Stat. Nonlin. Soft Matter Phys. Sep. 2007. V. 76. No. 3 Pt 1. P. 031907.

10. H. Fudouzi. Tunable structural color in organisms and photonic materials for design of bioinspired materials // Sci. Technol. Adv. Mater. Dec. 2011. V. 12. No. 6.

11. J. Teyssier, S. V. Saenko, D. van der Marel, and M. C. Milinkovitch. Photonic crystals cause active colour change in chameleons // Nat. Commun. Mar. 2015. V. 6. Article number: 6368.

12. D. G. DeMartini, A. Ghoshal, E. Pandolfi, A. T. Weaver, M. Baum, and D. E. Morse. Dynamic biophotonics: female squid exhibit sexually dimorphic tunable leucophores and iridocytes // J. Exp. Biol. Oct. 2013. V. 216. No. 19. P. 3733–3741.

13. A. C. N. Kingston, T. J. Wardill, R. T. Hanlon, and T. W. Cronin. An Unexpected Diversity of Photoreceptor Classes in the Longfin Squid, Doryteuthis pealeii // PLOS ONE. Sep. 2015. V. 10. No. 9. P. e0135381.

14. A. Kasai and N. Oshima. Light-sensitive Motile Iridophores and Visual Pigments in the Neon Tetra, Paracheirodon innesi // Zoolog. Sci. Sep. 2006. V. 23. No. 9. P. 815–819.

15. J.-W. Oh et al. Biomimetic virus-based colourimetric sensors // Nat. Commun. Jan. 2014. V. 5. P. ncomms4043.

16. L. Bai et al. Bio-Inspired Vapor-Responsive Colloidal Photonic Crystal Patterns by Inkjet Printing // ACS Nano. Nov. 2014. V. 8. No. 11. P. 11094–11100.

17. H. Seo and S.-Y. Lee. Bio-inspired colorimetric film based on hygroscopic coloration of longhorn beetles (Tmesisternus isabellae) // Sci. Rep. Mar. 2017. V. 7. Article number: 44927.

Татьяна Романовская

08 июль 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Ученые обнаружили неизвестный вид моллюсков

Ученые недавно нашли новый вид двустворчатого тридакна, куда входят крупнейшие живущие моллюски. При этом новый вид названия ещё не получил. А существование нового вида установили случайно, в тот

Создали сперматозоиды и яйцеклетки из клеток кожи человека

Ученые из Кембриджского университета в Британии создали искусственные сперматозоиды и яйцеклетки на начальном этапе их развития из обычных клеток человеческой кожи. Это настоящее достижение, которое

Мистические и лечебные свойства Сапфира

Сапфир - уникальный камень для душевного равновесия, обретения гармонии, поддержания нервной системы и укрепления семейных уз. Сапфир – ценный камень, его цвета варьируются от прозрачно-синего до

Почему мы такие разные, мужчины и женщины?

Учёные раскрыли завесу над тайной двух взаимопротивоположных созданий — мужчины и женщины.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Шугаринг: плюсы и минусыSpaceX осуществит пилотируемый полет на МКС в 2020 годуПреимущества матрасов MatroluxeОсобенности продвижения сайтаПульмонология, лечение в АвстрииУпавший в Коста-Рике метеорит пахнет брюссельской капустойКак рождаются самые мощные магниты во ВселеннойРедчайший метеор: дневные Секстантиды