Примерно 75% морских организмов обладают биолюминесценцией. У рыб для этого есть специальные светящиеся органы — фотофоры. В этих органах также присутствуют кристаллические структуры из гуанина (гуаниновые пластинки), которые играют ключевую роль в формировании и направлении света.
Ученый из Университета Хиросимы (Япония) Масакадзу Ивасака исследовал фотофоры глубоководной рыбы под названием стройный фангьяу (Sigmops gracilis) и обнаружил неожиданную сложность в том, как эти пластинки работают.
Ивасака изучает гуаниновые кристаллы у рыб уже 20 лет. В этой работе он сфокусировался на игольчатых структурах гуанина, которые локализованы кластерами вокруг светящихся органов рыбы. Предыдущие исследования показали, что у золотой рыбки гуаниновые пластинки действуют как крошечные зеркала, создавая анизотропное отражение (отражение, зависящее от угла падения света) благодаря их слегка наклонной ориентации. У глубоководной же рыбы форма кристаллов иная — игольчатая, с высоким соотношением длины к ширине.
В ходе экспериментов Ивасака подтвердил у Sigmops gracilis сильное анизотропное отражение: то, как свет отражается от гуаниновых пластинок, сильно меняется в зависимости от того, с какой стороны он падает. Это уже интересно, но главное открытие в другом. Из-за своей игольчатой формы и слоистой укладки пластинки гуанина у этой рыбы не просто отражают свет, а рассеивают его сложным образом, перенаправляя подобно призмам. Их слоистая структура демонстрирует свойства, похожие на фотонные кристаллы — материалы, которые могут управлять движением фотонов. Рыба использует это свойство, чтобы не просто отражать испускаемый свет, а максимально эффективно перераспределять и «перерабатывать» его, возможно, достигая большей яркости или управляя направлением свечения.
Это предполагает ранее не признанную роль, которую гуаниновые кристаллы играют в управлении направлением света. Кристаллы с высоким соотношением сторон ведут себя больше как призмы, перенаправляя свет, а не просто отражая его. Их слоистая структура проявляет свойства, сходные с фотонными кристаллами.
Хотя основное открытие — фундаментальное, у него есть прикладное значение. Поскольку эти микроструктуры работают в водной среде (внутри рыбы), их свойства могут быть использованы для создания более эффективных биомедицинских имплантатов, например, для оптических сенсоров или устройств доставки света внутри организма. «Хотя глубоководных рыб трудно добыть, исследование того стоит, — заключает Ивасака. — Изучение гуанина у разных видов рыб приведет к сокровищнице знаний для биомиметики (создания технологий по образу живой природы)».
Результаты опубликованы в научном журнале Biointerphases.
Ранее Наука Mail рассказывала, как работает перенесенная биолюминесценция на примере растений.
