Εκθαμβωτικοί ιριδισμοί πουλιών που συνδέονται με νανοτροποποίηση της δομής των φτερών

Μια μελέτη με επικεφαλής ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον διαπίστωσε ότι η ιριδίζουσα λάμψη που κάνει τα πουλιά όπως τα παγώνια και τα κολίβρια τόσο εντυπωσιακά έχει τις ρίζες της σε μια εξελικτική τροποποίηση σε μια νανοδομή φτερών που διπλασίασε το εύρος των ιριδίζονων χρωμάτων που μπορούν να εμφανίσουν τα πουλιά. Στη φωτογραφία είναι το ζακαμάρ με λευκό πηγούνι (Galbula tombacea), ένα από τα ιριδίζοντα είδη που περιλαμβάνονται στη μελέτη. Διδασκαλία: David Ocampo, Τμήμα Οικολογίας και Εξελικτικής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον

Η ιριδίζουσα λάμψη που κάνει τα πουλιά όπως τα παγώνια και τα κολίβρια τόσο εντυπωσιακά έχει τις ρίζες της σε μια φυσική νανοδομή τόσο περίπλοκη που οι άνθρωποι μόλις αρχίζουν να τη μιμούνται τεχνικά. Το μυστικό για το πώς τα πουλιά παράγουν αυτά τα λαμπερά χρώματα βρίσκεται σε ένα βασικό χαρακτηριστικό του σχεδιασμού των φτερών σε νανοκλίμακα, σύμφωνα με μια μελέτη με επικεφαλής ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Πρίνστον και δημοσιεύτηκε στο περιοδικό. eLife.


Οι ερευνητές βρίσκουν εξελικτική τροποποίηση στα φτερά νανο Περισσότερο από το διπλάσιο της ιριδίζουσας χρωματικής γκάμα τα πουλία μπορεί να εμφανιστεί. Αυτή η εικόνα μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν πώς και πότε πρέπει να είναι ικανοί εναλλαγή χρωμάτων Εξελίχτηκε για πρώτη φορά στα πουλιά, καθώς και εμπνέοντας τη μηχανική νέων υλικών που μπορούν να συλλάβουν ή να χειριστούν το φως.

Όταν τα ιριδίζοντα πουλιά κινούνται, νανοδομές μέσα σε λίγα λεπτά, νημάτια που μοιάζουν με κλαδιά – γνωστά ως operculums – αλληλεπιδρούν με το φως για να ενισχύσουν ορισμένα μήκη κύματος ανάλογα με τη γωνία θέασης. Αυτός ο ιριδισμός είναι γνωστός ως δομικός χρωματισμός, στον οποίο οι κρυσταλλικές νανοδομές επεξεργάζονται το φως.

Πρώτα, είπε, «Αν πάρετε ένα μόνο ιριδίζον φτερό, κόψετε μια διατομή του και το τοποθετήσετε κάτω από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, θα δείτε μια διατεταγμένη δομή με μαύρες κουκκίδες, μερικές φορές μαύρους δακτυλίους ή αιμοπετάλια, μέσα σε ένα γκρίζο στρώμα. ” Συγγραφέας είναι η Clara Norden, Ph.D. Φοιτητής στο εργαστήριο της επικεφαλής συγγραφέα Mary Caswell Stoddard, αναπληρώτρια καθηγήτρια οικολογίας και εξελικτικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και συνδεδεμένη σχολή στο Princeton High Meadows Environmental Institute (HMEI). “Οι μαύρες κουκίδες είναι σάκοι γεμάτοι με χρωστική ουσία που ονομάζονται μελανοσώματα, και το γκρι γύρω τους είναι φτερωτή κερατίνη. Βρίσκω αυτές τις νανοδομές τόσο όμορφες όσο και τα χρώματα που παράγουν.”

περίεργο αυτό μελανόσωμα Οι δομές έρχονται σε διάφορα σχήματα. Μπορούν να έχουν σχήμα ράβδου ή φύλλου, συμπαγές ή κοίλο. Τα κολίβρια, για παράδειγμα, τείνουν να έχουν κοίλη χρωστική ουσία σε σχήμα πλάκας, ενώ τα παγώνια έχουν χρωστική σε σχήμα ράβδου. Αλλά το γιατί τα πουλιά έχουν αναπτύξει ιριδίζουσες νανοδομές με τόσους πολλούς διαφορετικούς τύπους μελανοσωμάτων είναι ένα μυστήριο, με τους επιστήμονες να μην είναι σίγουροι εάν ορισμένοι τύποι μελανοσωμάτων είναι καλύτεροι από άλλους στο να παράγουν ένα ευρύ φάσμα ζωντανών χρωμάτων.

Για να απαντήσουν σε αυτό το ερώτημα, οι ερευνητές συνδύασαν την εξελικτική ανάλυση, την οπτική μοντελοποίηση και φτερά Οι μετρήσεις—όλα τους επέτρεψαν να αποκαλύψουν τις γενικές αρχές σχεδιασμού πίσω από τις νανοδομές των ιριδίζοντων φτερών.

Εκθαμβωτικοί ιριδισμοί πουλιών που συνδέονται με νανοτροποποίηση της δομής των φτερών

Στη φωτογραφία είναι η ιριδίζουσα ουρά του πράσινου ερημίτη (αγόρι Faythornes). Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα λεπτά στρώματα μελανίνης μέσα στα μικροσκοπικά φτερά των φτερών που μοιάζουν με κλαδιά αλληλεπιδρούν με το φως για να ενισχύσουν ορισμένα μήκη κύματος ανάλογα με τη γωνία θέασης. Αυτή η εικόνα θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν πώς και πότε ο ιριδισμός πρωτοεμφανίστηκε στα πουλιά, καθώς και να εμπνεύσει την ανάπτυξη νέων υλικών που μπορούν να συλλάβουν ή να επεξεργαστούν το φως. Διδασκαλία: David Ocampo, Τμήμα Οικολογίας και Εξελικτικής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον

Οι Norden και Stoddard συνεργάστηκαν με τον συν-συγγραφέα Chad Eliasson, μεταδιδακτορικό συνεργάτη στο Field Museum, για να σαρώσουν πρώτα τη βιβλιογραφία και να συντάξουν μια βάση δεδομένων με όλες τις ιριδίζουσες νανοδομές φτερών που περιγράφονται στα πουλιά, η οποία περιελάμβανε περισσότερα από 300 είδη. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν το γενεαλογικό δέντρο των πτηνών για να δείξουν ποιες ομάδες είχαν αναπτύξει τους διαφορετικούς τύπους μελανοσωμάτων.

Υπάρχουν πέντε βασικοί τύποι μελανοσωμάτων στις νανοδομές του ιριδίζοντος φτερού: χοντρές ράβδοι, λεπτές ράβδοι, κοίλες ράβδοι, αιμοπετάλια και κούφια ελάσματα. Με εξαίρεση τις παχύτερες ράβδους, όλα αυτά τα χρωματισμένα είδη βρίσκονται σε φτέρωμα με λαμπρό χρώμα. Δεδομένου ότι ο προγονικός τύπος μελανοσώματος έχει σχήμα ράβδου, η προηγούμενη εργασία επικεντρώθηκε σε δύο ξεχωριστά χαρακτηριστικά μοναδικά για τις δομές της ίριδας: το σχήμα των αιμοπεταλίων και το κοίλο εσωτερικό.

Ωστόσο, όταν οι ερευνητές αξιολόγησαν τα αποτελέσματα των σαρώσεων, συνειδητοποίησαν ότι υπήρχε ένα τρίτο χρωστικό χαρακτηριστικό που είχε παραβλεφθεί – τα λεπτότερα στρώματα μελανίνης. Και οι τέσσερις τύποι μελανοσωμάτων στα ιριδίζοντα φτερά—λεπτές ράβδοι, κοίλες ράβδοι, αιμοπετάλια και κούφια αιμοπετάλια—δημιουργούν λεπτά στρώματα μελανίνης, πολύ πιο λεπτά από τη δομή που είναι κατασκευασμένη με χοντρές ράβδους. Αυτό είναι σημαντικό, είπε ο Norden, επειδή το μέγεθος των στρωμάτων στις δομές είναι το κλειδί για την παραγωγή ζωντανών χρωμάτων.

«Η θεωρία προβλέπει ότι υπάρχει ένα είδος εύκρατης ζώνης στην οποία τα στρώματα μελανίνης έχουν το σωστό πάχος για να παράγουν πραγματικά έντονα χρώματα στο ορατό φάσμα των πτηνών», είπε. «Υποψιαζόμασταν ότι οι λεπτές ράβδοι, τα αιμοπετάλια ή τα κοίλα σχήματα μπορεί να είναι εναλλακτικοί τρόποι για να φτάσουμε σε αυτό το ιδανικό πάχος του πολύ μεγαλύτερου μεγέθους του προγονικού μελανοσώματος – των παχύρρευστων ραβδιών».

Οι ερευνητές δοκίμασαν την ιδέα τους σε δείγματα πουλιών στο Αμερικανικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας στη Νέα Υόρκη μετρώντας το χρώμα Από ιριδίζοντα φτερά πουλιών που παράγονται από νανοδομές με διαφορετικούς τύπους μελανοσωμάτων. Χρησιμοποίησαν επίσης οπτική μοντελοποίηση για να προσομοιώσουν τα χρώματα που μπορούν να παραχθούν από διαφορετικούς τύπους μελανοσωμάτων. Από αυτά τα δεδομένα, προσδιόρισαν ποιο χαρακτηριστικό – λεπτές στιβάδες μελανίνης, σχήμα αιμοπεταλίου ή αυλός – έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στο εύρος και την ένταση των χρωμάτων. Συνδυάζοντας αποτελέσματα οπτικής μοντελοποίησης και αναλύσεις φτερών, οι ερευνητές προσδιόρισαν ότι τα λεπτότερα στρώματα μελανίνης – ανεξάρτητα από το σχήμα των μελανοσωμάτων – σχεδόν διπλασίασαν το εύρος των χρωμάτων που μπορούν να παράγουν τα ιριδίζοντα φτερά.

“Αυτή η σημαντική εξελικτική ανακάλυψη – ότι τα μελανοσώματα μπορούν να διαταχθούν σε λεπτά στρώματα μελανίνης – άνοιξε νέες δυνατότητες για την παραγωγή χρώματος πουλιών”, είπε ο Stoddard. «Οι διαφορετικοί τύποι μελανοσωμάτων είναι σαν ένα εύκαμπτο κιτ νανοδομής, που προσφέρει διαφορετικές προσεγγίσεις στο ίδιο φινίρισμα: τα ιριδίζοντα χρώματα που παράγονται από τα λεπτότερα στρώματα μελανίνης».

Εκθαμβωτικοί ιριδισμοί πουλιών που συνδέονται με νανοτροποποίηση της δομής των φτερών

Υπάρχουν πέντε κύριοι τύποι (κάτω σειρά) σάκων γεμάτων με χρωστική ουσία, που ονομάζονται μελανοσώματα, εντός της νανοδομής (αριστερά) των ιριδίζοντων φτερών. Πιο χοντρά ραβδιά βρίσκονται σε πτηνά με αδύναμο ιριδισμό όπως στα καστανοκέφαλα (πάνω σειρά, αριστερά), ενώ όλα τα άλλα είδη παράγουν γυαλιστερό ιριδισμό. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι τα τέσσερα μελανοσώματα που σχετίζονται με τον έντονο ιριδισμό ανέπτυξαν ξεχωριστά στρώματα μελανίνης (βαθμού ΙΙ) ακριβώς στο σωστό πάχος για να αυξήσουν το εύρος των χρωμάτων που μπορούν να εμφανίσουν διάφορα είδη πτηνών. Μικρογραφίες προσαρμοσμένες από τον Durrer (1977). Διδασκαλία: Clara Norden, Τμήμα Οικολογίας και Εξελικτικής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον

Αυτό μπορεί να εξηγήσει γιατί υπάρχει τόσο μεγάλη ποικιλία τύπων μελανοσωμάτων στις ιριδίζουσες νανοδομές. Οι ιριδίζουσες νανοδομές πιθανότατα εξελίχθηκαν πολλές φορές σε διαφορετικές ομάδες πουλιών, αλλά κατά τύχη, λεπτά στρώματα μελανίνης από μια παχύτερη ράβδο εξελίχθηκαν με διαφορετικούς τρόπους. Ορισμένες ομάδες ανέπτυξαν λεπτά στρώματα μελανίνης ισοπεδώνοντας τα μελανοσώματα (παράγοντας αιμοπετάλια), άλλες αδειάζοντας το εσωτερικό μέρος των μελανοσωμάτων (δημιουργώντας κοιλότητες) και άλλες μειώνοντας το μέγεθος του πέους (δημιουργώντας λεπτές ράβδους).

Ο Norden είπε ότι τα αποτελέσματα της μελέτης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναδόμηση του λαμπερού ιριδισμού σε προϊστορικά ζώα. Τα μελανοσώματα μπορούν να διατηρηθούν στα απολιθωμένα φτερά για εκατομμύρια χρόνια, πράγμα που σημαίνει ότι οι παλαιοντολόγοι μπορούν να συμπεράνουν το αρχικό χρώμα των φτερών -ακόμα και τον ιριδισμό- στα πουλιά και στους δεινόσαυρους μετρώντας το μέγεθος των απολιθωμένων μελανοσωμάτων.

«Με βάση τις χοντρές, σκληρές ράβδους που περιγράφονται στα φτερά του Microraptor, για παράδειγμα, μπορούμε να πούμε ότι τα φτερά αυτού του φτερωτού θηρόποδου πιθανότατα είχαν ιριδίζοντα φτερά πολύ πιο παρόμοια με αυτά των ψαρονιών παρά του παγωνιού», είπε ο Norden.

Ο σχηματισμός μελανοσωμάτων και κερατίνης στα φτερά των πτηνών θα μπορούσε να περιέχει στοιχεία για την κατασκευή προηγμένων ιριδίζοντων νανοδομών που μπορούν να συλλάβουν ή να επεξεργαστούν αποτελεσματικά το φως ή να τα χρησιμοποιήσουν για την παραγωγή φιλικών προς το περιβάλλον χρωμάτων που δεν απαιτούν χρωστικές ή χρωστικές. Οι εξαιρετικά μαύρες επικαλύψεις όπως το Vantablack χρησιμοποιούν παρομοίως νανοδομές που απορροφούν και διασκορπίζουν το φως αντί να το αντανακλούν, παρόμοια με τα μαύρα φτερά των ειδών της οικογένειας των πουλιών του παραδείσου (Paradisaeidae).

Ο Norden είπε ότι τα ιριδίζοντα φτερά θα μπορούσαν επίσης να οδηγήσουν σε μια πλουσιότερη κατανόηση των πολυλειτουργικών υλικών. Σε αντίθεση με τα τεχνητά υλικά, τα οποία συχνά αναπτύσσονται για μία μόνο λειτουργία, τα φυσικά υλικά είναι πολλαπλών χρήσεων στη φύση. Η μελανίνη όχι μόνο βοηθά στην παραγωγή ιριδισμού. Προστατεύει επίσης τα πουλιά από τις επικίνδυνες υπεριώδεις ακτίνες, ενισχύει τα φτερά και αποτρέπει την ανάπτυξη μικροβίων.

«Τι θα γινόταν αν οι διαφορετικοί τύποι μελανοσωμάτων εξελίχθηκαν αρχικά για κάποιο λόγο που δεν είχε καμία σχέση με το χρώμα της ίριδας, όπως η δημιουργία Πέννα “Μηχανικά ισχυρότερο ή πιο ανθεκτικό στη μικροβιακή επίθεση”, είπε ο Norden. “Αυτές είναι μερικές από τις ερωτήσεις που θα θέλαμε να αντιμετωπίσουμε στη συνέχεια.”


Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν πώς τα πουλιά και οι δεινόσαυροι εξελίχθηκαν για να θαμπώνουν με πολύχρωμες οθόνες


περισσότερες πληροφορίες:
Clara Catarina Norden et al., Evolution of the nanostructures of shiny iridescent feathers, eLife (2021). DOI: 10.7554 / eLife.71179

Πληροφορίες περιοδικού:
eLife

το απόσπασμα: Ο εκθαμβωτικός ιριδισμός του πουλιού συνδέεται με την τροποποίηση της δομής των φτερών σε νανοκλίμακα (2021, 21 Δεκεμβρίου) Ανακτήθηκε στις 21 Δεκεμβρίου 2021 από https://phys.org/news/2021-12-birds-dazzling-iridescence-tied-nanoscale.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Ανεξάρτητα από οποιαδήποτε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.

READ  Έτσι μοιάζουν η γη και ο ήλιος από τον νότιο πόλο της σελήνης

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *