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这些不光是美食,还能上Nature大子刊和PNAS

过年了,疫情汹汹大家不得不宅在家里,每天的日子都在吃吃喝喝中度过。作为传统的海鲜河鲜,虾是最受欢迎的美食之一(先说明一下,虽然这次新型肺炎发现于一家海鲜市场,但罪魁祸首很有可能是该市场里售卖的“野味”。野生动物不能吃,大家都知道了吧!)

图1. 凡纳滨对虾。图片来源于网络


但总有一些独具慧眼的大神除了吃之外,还能挖掘出神奇生物背后一个个有趣的故事,就比如本文要介绍到的来自以色列魏茨曼科学研究所的研究团队,Benjamin A. PalmerDan Oron及其合作者们。他们注意到虾(凡纳滨对虾,Litopenaeus vannamei,又称南美白对虾、白脚虾,这下和超市里的食材对应上了吧?)的复眼底部有一层异黄蝶呤组装形成的纳米颗粒。他们的研究发现,这些纳米颗粒能增强入射光的背散射,也即提升眼睛对光的敏感性,相关成果发表在近期的Nature Nanotechnology[1]


实际上,他们几年前就开始关注十足纲甲壳动物眼睛中的这一特殊结构。2018年,他们就在PNAS [2]上报道了另外与虾有关的研究,不过对象是克氏原螯虾(Procambarus clarkii,这个就更有名了,大名鼎鼎风靡全国的“小龙虾”就是它啦)。

图2. 克氏原螯虾复眼的结构。(A)X射线显微CT扫描,(B)从角膜上方拍摄的光学显微镜图像,(C)复眼结构的截面示意图。图片来源:PNAS


虾的眼睛通常是由数千个小眼构成的反射叠加复眼。如图2C所示,每个小眼起始于角膜(cornea),截止于具有感光能力的感杆束(rhabom)。在研究中,他们注意到复眼底部的绒毡层反射器(tapetum reflector,图2C)中有一些奇特的纳米颗粒,由异黄蝶呤单晶组成。晶体衍射的结果表明,在晶体中分子采取如图3所示的方式进行堆积。

图3. 复眼中异黄蝶呤单晶的结构分析。图片来源:PNAS


近期他们将目光转向了另一种虾,也就是本文的开始提及的凡纳滨对虾,因为它的复眼中有更高密度的异黄蝶呤纳米颗粒。有趣的是,这里的纳米颗粒表现出核壳结构,并且外壳是由一些不规则多边形的异黄蝶呤纳米片(尺寸约为50 × 50 × 10 nm)紧密层层堆积而成,整体厚度约70 nm,而中空的内核可以认为是由水溶液填充。进一步的透射电镜和电子衍射结果可以确认,这里纳米片都是单晶,并且晶体的a轴沿着球的半径方向。

图4. 凡纳滨对虾复眼中具有核壳结构的异黄蝶呤纳米颗粒 图片来源:Nature


在cryo-SEM下可以发现,这些核壳纳米颗粒沿着绒毡层反射器表面进一步组装(排列),使得绒毡层反射器在偏光显微镜下表现出明显的蓝色。分别测量绒毡层反射器和它下方的染料层的背散射光谱(图5c),可以看到,绒毡层(蓝色曲线)对蓝光的散射明显增强,相对的,染料层(橙色曲线)吸收了几乎所有的光。

图5. 绒毡层的显微结构和光学特性。(a和b) 分别是复眼在偏光显微镜下的侧视图和顶视图,(c) 绒毡层反射器以及它下方的染料层的散射曲线。图片来源:Nat. Nanotech.


为什么会这样呢?


考虑异黄蝶呤纳米片中分子的排列方式,可以认为这些纳米颗粒具有球状双折射性质:沿着球面和垂直于球面的折射率分别为no= 1.96, ne= 1.40(图6a)。图6b的蓝色曲线展示了由米氏散射理论得到的归一化全散射截面。作为对比,图中的橙色曲线是当异黄蝶呤采取无序堆积形成各向同性颗粒时的结果,仅比双折射颗粒稍差。然而,对绒毡层而言,更重要的是背散射的效率。在图6c中可以看出,双折射纳米颗粒的背散射效率在蓝光波段是各向同性纳米颗粒的两倍,在绿光和红光波段则更显著。模拟结果还指出,当外壳厚度约为70 nm时,纳米颗粒在380-600 nm波段的背散射效率最高,这和前面显微镜观察的结果是一致的。

图6. 对单个纳米颗粒的散射进行分析。图片来源:Nat. Nanotech.


纳米颗粒在绒毡层上的排列具有短程有序的特点,可以看作是一个个小的光子晶体,因而根据排列的周期性,能反射特定波长的光(这里周期约为300 mn,所以对蓝光的反射能力较强)。进一步用有限元分析可以发现纳米颗粒双折射特性的重要性:它们构成的阵列甚至能反射波长超过450 nm的光(当壳层足够厚时);相对的,各向同性纳米颗粒只能反射波长低于425 nm的光。

图7. 对比各向同性 (a) 和双折射纳米颗粒 (b) 的反射能力。图片来源:Nat. Nanotech.


需要指出的是,这种双折射纳米颗粒增强反射能力的光学策略甚至在人造体系中都从未有过报道。尽管此前已经有理论研究指出由双折射基元构成的材料将具有一些优异的光学特性,但由于难以实现双折射颗粒的单轴取向,从未被实现过。而在虾身上,自然巧妙的采用球型双折射的方式避开了上述困难。


为什么虾会需要出如此奥妙的光学系统呢?绒毡层背散射效率的最大化能让感杆束的密度(也就是复眼中小眼的数量)能最大化,同时相邻的感杆束的入射光不会互相干扰,从而获得更好的视野。而后者对虾的生存至关重要,漫长的进化最终使它们获得了这个神奇的能力。


过年了可别光想着吃,说不定某些地方也会给你灵感,引出一篇文章也说不定啊?


参考资料:

1.A highly reflective biogenic photonic material from core–shell birefringent nanoparticles. Nat. Nanotech., 2020, DOI: 10.1038/s41565-019-0609-5

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0609-5

2. Optically functional isoxanthopterin crystals in the mirrored eyes of decapod crustaceans. PNAS, 2018, 115, 2299-2304, DOI: 10.1073/pnas.1722531115

https://www.pnas.org/content/115/10/2299


(本文由荷塘月供稿)


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