Inktvissen zijn al lang een bron van fascinatie voor mensen, het verstrekken van de spullen van de legende, bijgeloof en mythe. En het is geen wonder - hun vreemde verschijningen en vreemde intelligentie, hun beheersing van de open oceaan kan ontzag opwekken bij degenen die ze zien.

Legenden terzijde, inktvissen blijven mensen vandaag intrigeren - mensen zoals UC Santa Barbara-professor Daniel Morse - voor vrijwel hetzelfde, zij het meer wetenschappelijk, redenen. Na honderden miljoenen jaren geëvolueerd te zijn om te jagen, communiceren, ontwijk roofdieren en paren in de uitgestrekte, vaak onopvallende uitgestrekte open wateren, inktvissen hebben een van de meest verfijnde huid in het dierenrijk ontwikkeld.

"Eeuwenlang, mensen zijn verbaasd over het vermogen van inktvissen om de kleur en patronen van hun huid te veranderen - wat ze prachtig doen - voor camouflage en onderwatercommunicatie, signalen naar elkaar en naar andere soorten om weg te blijven, of als attractie voor paring en andere vormen van signalering, " zei Morse, een Distinguished Professor Emeritus van Biochemie en Moleculaire Genetica.

Net als hun koppotige neven, de octopus en inktvis, inktvissen hebben gespecialiseerde met pigment gevulde cellen, chromatoforen genaamd, die uitzetten om ze aan licht bloot te stellen, wat resulteert in verschillende tinten pigmentkleur. Van bijzonder belang voor Morse, echter, is het vermogen van de inktvissen om te glinsteren en te flikkeren, reflecterende verschillende kleuren en brekend licht over hun huid. Het is een effect waarvan wordt gedacht dat het het gevlekte licht van de bovenste oceaan nabootst - het enige kenmerk in een verder grimmig zeegezicht. Door te begrijpen hoe inktvissen erin slagen om zelfs in de meest eenvoudige achtergronden te verdwijnen - of op te vallen - is het misschien mogelijk om materialen te produceren met dezelfde, licht tuning eigenschappen voor een verscheidenheid aan toepassingen.

Morse heeft de afgelopen tien jaar gewerkt aan het ontrafelen van het geheim van inktvishuid, en met steun van het Army Research Office en onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven , hij en co-auteur Esther Taxon komen nog dichter bij het ontrafelen van de complexe mechanismen die ten grondslag liggen aan de huid van inktvissen.

Een elegant mechanisme

"Wat we hebben ontdekt, is dat de inktvis niet alleen de kleur van het gereflecteerde licht kan afstemmen, maar ook zijn helderheid, "Zei Morse. Onderzoek had tot nu toe aangetoond dat bepaalde eiwitten, reflectines genaamd, verantwoordelijk waren voor irisatie, maar het vermogen van de inktvis om de helderheid van het gereflecteerde licht af te stemmen was nog steeds een beetje een mysterie, hij zei.

Eerder onderzoek door Morse had structuren en mechanismen blootgelegd waarmee irissen - lichtreflecterende cellen - in de opalen huid van de kustinktvis (Doryteuthis opalescens) vrijwel elke kleur van de regenboog kunnen aannemen. Het gebeurt met het celmembraan, waar het zich opvouwt tot accordeonachtige structuren op nanoschaal die lamellen worden genoemd, kleine vormen, subgolflengte-brede buitenste groeven.

"Die kleine groefstructuren zijn zoals die we zien op de gegraveerde kant van een compact disk, " zei Morse. De gereflecteerde kleur hangt af van de breedte van de groef, wat overeenkomt met bepaalde lichtgolflengten (kleuren). In de iridocyten van de inktvis, deze lamellen hebben het extra kenmerk dat ze van vorm kunnen veranderen, het verbreden en vernauwen van die groeven door de acties van een opmerkelijk fijn afgestemde "osmotische motor" aangedreven door reflecterende eiwitten die condenseren of uit elkaar spreiden in de lamellen.

Terwijl materiaalsystemen die reflectine-eiwitten bevatten in staat waren om de iriserende kleurveranderingen te benaderen waar inktvis toe in staat was, pogingen om het vermogen te repliceren om de helderheid van deze reflecties te intensiveren, kwamen altijd te kort, volgens de onderzoekers die redeneerde dat er iets moest worden gekoppeld aan de reflecties in inktvishuid, hun effect versterken.

Dat iets bleek het membraan te zijn dat de reflecties omsluit - de lamellen, dezelfde structuren die verantwoordelijk zijn voor de groeven die het licht splitsen in zijn samenstellende kleuren.

"Evolution heeft zo voortreffelijk geoptimaliseerd, niet alleen de kleurafstemming, maar de afstemming van de helderheid met hetzelfde materiaal, hetzelfde eiwit en hetzelfde mechanisme, ' zei Morse.

Licht met de snelheid van denken

Het begint allemaal met een signaal, een neuronale puls uit de hersenen van de inktvis.

"Reflectines zijn normaal gesproken zeer sterk positief geladen, " Morse zei over de iriserende eiwitten, die, wanneer niet geactiveerd, eruit zien als een kralensnoer. Hun dezelfde lading betekent dat ze elkaar afstoten.

Maar dat kan veranderen wanneer een neuraal signaal ervoor zorgt dat de reflectines zich binden aan negatief geladen fosfaatgroepen die de positieve lading neutraliseren. Zonder de afstoting die de eiwitten in hun ongeordende toestand houdt, vouwen ze en trekken ze elkaar aan, ophopen in minder, grotere aggregaties in de lamellen.

Deze aggregaties oefenen osmotische druk uit op de lamellen, een semipermeabel membraan dat is gebouwd om slechts zoveel druk te weerstaan ​​die wordt gecreëerd door de klonterende reflecties voordat water buiten de cel wordt afgegeven.

"Water wordt uit de accordeonachtige structuur geperst, en dat de accordeon inklapt, zodat de dikte tussen de plooien kleiner wordt, en dat is alsof je de groeven van een compact disk dichter bij elkaar brengt, Morse legde uit. "Dus het licht dat wordt gereflecteerd, kan geleidelijk verschuiven van rood naar groen naar blauw."

Tegelijkertijd, de ineenstorting van het membraan concentreert de reflectines, waardoor hun brekingsindex toeneemt, helderheid versterken. Osmotische druk, de motor die deze afstemmingen van optische eigenschappen aandrijft, koppelt de lamellen stevig aan de reflectines in een sterk gekalibreerde relatie die de output (kleur en helderheid) optimaliseert naar de input (neuraal signaal). Veeg het neurale signaal weg en de fysica keert om, zei Morse.

"Het is een heel slimme indirecte manier om van kleur en helderheid te veranderen door het fysieke gedrag van wat een colligatieve eigenschap wordt genoemd te controleren - de osmotische druk, iets dat niet meteen duidelijk is, maar het onthult de complexiteit van het evolutieproces, de millennia van mutatie en natuurlijke selecties die deze processen samen hebben aangescherpt en geoptimaliseerd."

Dunne films met instelbare helderheid

De aanwezigheid van een membraan kan de essentiële schakel zijn voor de ontwikkeling van bio-geïnspireerde dunne films met de optische afstemmingscapaciteit van de opalescente kustinktvis.

"Deze ontdekking van de sleutelrol die het membraan speelt bij het afstemmen van de helderheid van reflectie heeft intrigerende implicaties voor het ontwerp van toekomstige buihybride materialen en coatings met instelbare optische eigenschappen die soldaten en hun uitrusting zouden kunnen beschermen, " zei Stephanie McElhinny, een programmamanager bij het Legeronderzoeksbureau, een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command.

Volgens de onderzoekers is "Dit evolutionair aangescherpte, efficiënte koppeling van reflectie van zijn osmotische versterker is nauw analoog aan de impedantie-gematchte koppeling van activator-transducer-versterkernetwerken in goed ontworpen elektronische, magnetisch, mechanische en akoestische systemen." In dit geval zou de activator het neuronale signaal zijn, terwijl de reflectines als transducers werken en de osmotisch gestuurde membranen als versterkers.

"Zonder dat membraan dat de reflectines omgeeft, er is geen verandering in de helderheid van deze kunstmatige dunne films, " zei Morse, die samenwerkt met technische collega's om het potentieel voor een meer inktvishuidachtige dunne film te onderzoeken. "Als we de kracht van het biologische willen vastleggen, we moeten een soort membraanachtige behuizing toevoegen om omkeerbare afstemming van de helderheid mogelijk te maken."