رنگین کمانی خیره کننده پرندگان با تنظیم نانو مقیاس ساختار پر همراه است
درخشش سرشاری که پرندگانی مانند طاووس و مرغ مگس خوار را چنان چشمگیر می کند، ریشه در یک نانوساختار طبیعی دارد که به قدری پیچیده است که انسان تازه شروع به بازتولید آن از نظر فناوری کرده است. بر اساس مطالعه محققان دانشگاه پرینستون و منتشر شده در مجله، راز چگونگی تولید این رنگ های درخشان توسط پرندگان در یکی از ویژگی های کلیدی طراحی پر در مقیاس نانو نهفته است. eLife.
محققان یک تغییر تکاملی در نانوساختار پرها یافته‌اند که طیف رنگ‌های رنگین کمانی پرندگان را بیش از دو برابر کرده است. این بینش می تواند به محققان کمک کند تا بفهمند چگونه و چه زمانی رنگین کمانی درخشان برای اولین بار در پرندگان ایجاد شد، و همچنین الهام بخش مهندسی مواد جدیدی است که می توانند نور را جذب یا دستکاری کنند.
همانطور که پرندگان سرریز حرکت می کنند، ساختارهای نانومقیاس در رشته های کوچک پرهای آنها - معروف به هالتر - با نور تعامل می کنند تا طول موج های خاصی را بسته به زاویه دید تقویت کنند. این رنگین کمانی به رنگ‌آمیزی ساختاری معروف است که در آن نانوساختارهای کریستالی مانند نور را دستکاری می‌کنند.
اولی گفت: "اگر یک هالتر را از یک پر رنگین کمانی بردارید، آن را به صورت ضربدری برش دهید و زیر میکروسکوپ الکترونی قرار دهید، ساختار منظمی با نقاط سیاه یا گاهی حلقه‌ها یا پلاکت‌های سیاه را در یک بستر خاکستری خواهید دید." نویسنده کلارا نوردن، دکترا، دانشجوی آزمایشگاه نویسنده ارشد مری کاسول استودارد، دانشیار بوم شناسی و زیست شناسی تکاملی در پرینستون و دانشیار موسسه محیط زیست High Meadows (HMEI) در پرینستون. "نقاط سیاه پر از کیسه های رنگدانه ای به نام ملانوزوم هستند و رنگ خاکستری اطراف آنها کراتین پرها است. من این ساختارهای نانومقیاس را به زیبایی رنگ هایی که تولید می کنند، می بینم."
جالب توجه است که ساختارهای ملانوزومی به اشکال مختلف وجود دارند. آنها می توانند میله ای یا پلاکتی شکل، متراکم یا توخالی باشند. برای مثال مرغ مگس خوار ملانوزوم های پلاکتی شکل توخالی دارند در حالی که طاووس ها ملانوزوم های میله ای شکل دارند. اما اینکه چرا پرندگان نانوساختارهای سرریز با انواع مختلف ملانوزوم ها را توسعه داده اند یک راز است و دانشمندان مطمئن نیستند که آیا برخی از انواع ملانوزوم ها در تولید طیف گسترده ای از رنگ های زنده بهتر از سایرین هستند یا خیر.
برای پاسخ به این سوال، محققان تجزیه و تحلیل تکاملی، مدل‌سازی نوری و اندازه‌گیری‌های پر را با هم ترکیب کردند - همه اینها به آنها اجازه داد تا اصول طراحی مشترک در پشت نانوساختارهای پرهای رنگین کمانی را کشف کنند.
نوردن و استودارد با چاد الیسون، یکی از همکاران فوق دکتری در موزه فیلد، کار کردند تا ابتدا ادبیات را مطالعه کنند و یک پایگاه داده از تمام نانوساختارهای توصیف شده پرهای رنگین کمانی در پرندگان که شامل بیش از 300 گونه است، گردآوری کنند. آنها سپس از درخت خانواده پرندگان برای نشان دادن اینکه کدام گروه انواع مختلف ملانوزوم ها را توسعه داده اند استفاده کردند.
پنج نوع اصلی ملانوزوم در نانوساختارهایی با پرهای رنگین کمانی وجود دارد: میله های ضخیم، میله های نازک، میله های توخالی، پلاکت ها و پلاکت های توخالی. به استثنای میله های ضخیم، همه این نوع ملانوزوم ها در پرهای با رنگ درخشان یافت می شوند. از آنجایی که نوع قبلی ملانوزوم میله‌ای شکل است، کار قبلی بر دو ویژگی آشکار منحصر به ساختارهای رنگین کمانی متمرکز شده است: شکل پلاکتی و فضای داخلی توخالی.
با این حال، هنگامی که محققان نتایج مطالعه خود را ارزیابی کردند، متوجه شدند که ویژگی سوم ملانوزوم وجود دارد که نادیده گرفته شده است - لایه های نازک ملانین. هر چهار نوع ملانوزوم در پرهای رنگین کمانی - میله‌های نازک، میله‌های توخالی، پلاکت‌ها و پلاکت‌های توخالی - لایه‌های ملانین نازکی را ایجاد می‌کنند که بسیار نازک‌تر از ساختاری ساخته شده از میله‌های ضخیم است. نوردن گفت که این مهم است زیرا اندازه لایه‌ها در سازه‌ها کلید دریافت رنگ‌های زنده است.
او گفت: «این تئوری پیش‌بینی می‌کند که نوعی ناحیه از موهای طلایی وجود دارد که در آن لایه‌های ملانین دقیقاً ضخامت مناسبی برای تولید رنگ‌های واقعاً شدید در طیف قابل مشاهده برای پرندگان دارند. "ما مشکوک بودیم که میله‌های نازک، پلاکت‌ها یا اشکال توخالی می‌توانند راه‌های جایگزینی برای دستیابی به ضخامت ایده‌آل در اندازه بزرگ‌تر ملانوزوم اجدادی باشند - میله‌های ضخیم."
محققان این ایده را بر روی نمونه های پرنده در موزه تاریخ طبیعی آمریکا در نیویورک با اندازه گیری رنگ پرهای پرنده کمانی رنگ که حاصل نانوساختارهایی با انواع مختلف ملانوزوم است، آزمایش کردند. آنها همچنین از مدل‌سازی نوری برای شبیه‌سازی رنگ‌هایی استفاده کردند که تولید آنها با انواع مختلف ملانوزوم‌ها امکان‌پذیر بود. از این داده ها، آنها مشخص می کنند که کدام ویژگی - لایه های نازک ملانین، شکل پلاکت یا حفره - بیشترین تأثیر را بر دامنه و شدت رنگ دارد. با ترکیب نتایج مدل‌سازی نوری و تجزیه و تحلیل پر، محققان دریافتند که لایه‌های نازک ملانین - بدون توجه به شکل ملانوزوم‌ها - طیف رنگ‌هایی را که یک پر رنگین کمانی می‌تواند تولید کند، تقریباً دو برابر می‌کند.
استودارد گفت: "این پیشرفت کلیدی تکاملی - که ملانوزوم ها را می توان در لایه های نازک ملانین مرتب کرد - فرصت های جدیدی را برای تولید گل برای پرندگان باز کرده است." «انواع متنوع ملانوزوم‌ها مانند ابزارهای نانوساختار انعطاف‌پذیر هستند که مسیرهای مختلفی را برای یک هدف ارائه می‌دهند: رنگ‌های روان درخشان ساخته شده از لایه‌های نازک ملانین.
این ممکن است توضیح دهد که چرا تنوع گسترده ای از انواع ملانوزوم ها در نانوساختارهای رنگین کمانی وجود دارد. نانوساختارهای رنگین کمانی ممکن است بارها در گروه‌های مختلف پرندگان تکامل یافته باشند، اما به طور تصادفی لایه‌های نازک ملانین از یک چوب ضخیم به روش‌های مختلف تکامل یافته‌اند. برخی از گروه‌ها با صاف کردن ملانوزوم‌ها (تولید پلاکت) لایه‌های ملانین نازکی را ایجاد کرده‌اند، برخی دیگر با کندن داخل ملانوزوم (تولید اشکال توخالی)، و گروهی دیگر با کوچک کردن اندازه میله (تولید میله‌های نازک).
نوردن گفت که نتایج این مطالعه می تواند برای بازسازی رنگین کمانی درخشان در حیوانات ماقبل تاریخ استفاده شود. ملانوزوم‌ها را می‌توان برای میلیون‌ها سال در پرهای فسیلی حفظ کرد، به این معنی که دیرینه‌شناسان می‌توانند با اندازه‌گیری اندازه ملانوزوم‌های فسیل‌شده، رنگ اصلی پرها - حتی رنگ رنگین کمانی - را در پرندگان و دایناسورها قفل کنند.
نوردن می‌گوید: «برای مثال، بر اساس میله‌های سخت ضخیم که در پرهای Microraptor توضیح داده شده‌اند، می‌توان گفت که این تروپود پردار احتمالاً دارای پرهای سرریز بوده است، بسیار بیشتر شبیه به سار تا طاووس.
ترکیب ملانوزوم ها و کراتین در پر پرندگان ممکن است حاوی شواهدی برای طراحی نانوساختارهای رنگین کمانی پیشرفته باشد که می توانند به طور موثر نور را جذب یا دستکاری کنند یا برای تولید رنگ های سازگار با محیط زیست که نیازی به رنگ یا رنگدانه ندارند استفاده شوند. پوشش‌های فوق‌سیاه مانند Vantablack به طور مشابه از نانوساختارهایی استفاده می‌کنند که به جای بازتاب نور، مانند پرهای سیاه گونه Paradiseeidae، نور را جذب و پراکنده می‌کنند.
نوردن گفت که پرهای رنگین کمانی می توانند به درک بهتری از مواد چند منظوره منجر شوند. بر خلاف مواد ساخته شده توسط انسان، که اغلب برای یک عملکرد واحد ساخته می شوند، مواد طبیعی ذاتا چند منظوره هستند. ملانین نه تنها به تولید رنگین کمانی کمک می کند. همچنین از پرندگان در برابر پرتوهای خطرناک فرابنفش محافظت می کند، پرها را تقویت می کند و رشد میکروبی را مهار می کند.
نوردن می‌گوید: «اگر انواع مختلف ملانوزوم‌ها در ابتدا به دلایلی غیر از رنگ خالص تکامل یافته باشند، مثلاً برای اینکه پرها را از نظر مکانیکی قوی‌تر یا در برابر حمله میکروبی مقاوم‌تر کنند، چه اتفاقی می‌افتد». "اینها برخی از مسائلی است که ما مشتاقیم بیشتر به آنها بپردازیم."
نقل قول: رنگین کمانی خیره کننده پرندگان مرتبط با تنظیم نانومقیاس ساختار پر (2021، 21 دسامبر)، بازیابی شده در 21 دسامبر 2021 از https://phys.org/news/2021-12-birds-dazzling-iridescence -tied-nanoscale .html
این برگه یا سند یا نوشته تحت پوشش قانون کپی رایت است. به جز هرگونه معامله منصفانه به منظور تحقیق یا مطالعه خصوصی، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوا فقط برای مقاصد اطلاعاتی ارائه شده است.
[ad_2]