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甲殼類幼蟲“隱形”材料被發現，能助力人類實現“隱身”嗎？

文章來源：賢集網更新時間：2023-05-05 16:25:30

你一定在電影中見過神奇的隱身衣吧，現實中人類如果想實現“憑空消失”，在科學上還需向前邁出一大步，研究人員也一直在為此努力，然而在海洋圈”隱身“生物卻有很多，甲殼類幼蟲甚至能將眼睛都隱形，近日科學家終于發現了其中奧秘，原來“隱形”的背后是與這種材料有關。

甲殼幼蟲的“隱身”術

海洋中的許多生物都擁有透明的身體，用以逃脫捕食者的追捕。然而，他們也不是全身都透明，比如眼睛，需要對于視覺不可或缺的深色的色素，這成為水中生物的“軟肋”，對此，有一些透明生物演化出了一些巧妙的策略，例如減小眼睛和視網膜的尺寸和可見度。

近日，英國劍橋大學Johannes Haataja和以色列本•古里安大學Benjamin A. Palmer等研究者在Science 雜志發表論文，發現了甲殼類幼蟲讓眼睛隱形的新秘密——在不透明的眼睛色素上覆蓋的一種可調反射體。這種反射體由光子玻璃構成，其中含有無數晶體異黃蝶呤納米球。通過改變納米球的大小和排列順序，可調節從深藍色到黃綠色的反射率，使其顏色與背景相匹配，達到偽裝的效果。此外，反射體還可以通過充當感光器之間的光屏來增強眼睛的敏銳度或靈敏度，增強視力。這種多功能反射體為如何利用生物相容的有機分子構建可調人工光子材料提供了靈感。該工作被選為Science雜志當期封面。

反光偽裝

研究人員以多種甲殼類動物幼蟲為例，包括羅氏沼蝦，龍蝦，蟹類等，展示了一種透明動物的反光偽裝策略：利用光反射器覆蓋眼睛的深色部分，從而達到隱藏自身的目的。進一步計算得出，這些生物的眼睛反射率，與采集區域不同深度的海水反射率在光譜上相匹配，從而與周圍水的顏色匹配。

眼睛反射體微觀結構

反射體不需要反射所有波長的光線，這與甲殼類幼蟲生存環境有關。很多甲殼類生物如蝦、蟹等的幼蟲具備這種“偽裝”，其中典型的代表就是羅氏沼蝦（Macrobrachium rosenbergii）的幼蟲。

通過光學和低溫掃描電子顯微鏡，進一步觀察了其微觀結構特性。十足目動物的幼蟲眼睛，由六邊形的眼睛單元構成，這種單元稱為小眼。每個眼球的上半部分包含一個蛋白體，也就是結晶錐，用來引導光線至光感器上。研究顯示，在結晶錐的底部有一種高度反射的材料，且這種材料不在光路中，使得來自錐體的光可以通過底層光感受器。結晶錐底部的材料，也就是反射體，是由400 nm 左右的顆粒聚集而成，而這些納米球由結晶的異黃蝶呤組成。

反射體會明顯掩蓋部分眼色素，既起到“隱形”的作用，還可以在昏暗光線環境中提高幼蟲們自身的視力靈敏度。

有趣的是，這些眼睛反射體的晶體納米球在某種程度上是可調的。生活在淡藍色水中的幼蟲與生活在淡綠色水中的幼蟲，反射體中的納米球大小與排列略有不同，導致了反射波長的變化。比如納米球大小從~250 nm增加到~400 nm可以使這些幼蟲的眼睛顏色從藍色向黃綠色變化。

眼睛反射體中，晶體納米球的填充密度通常在50%~70%之間，這比我們通常認為的緊密堆積的光子晶體低得多。研究者利用分子動力學和時域有限差分法來模擬了納米球大小和填充密度與反射光譜之間的關系，與實驗數據相吻合。值得注意的是，如果采用有序的光子晶體結構作為反射層，會產生彩虹色，即顏色隨著視角而變化，并不利于自身視力和偽裝。而這種晶體異黃蝶呤納米球堆積形成的光子玻璃可以產生高效的、與角度無關的顏色，同時滿足透明度和緊湊性的要求。

在之前的報道中，這種結晶的異黃蝶呤組成的納米球，也存在于十足目動物的成蟲中。異黃蝶呤是一種雙折射有機材料，具有迄今為止報道的生物材料中的最高折射率（n0=1.96）。單晶異黃蝶呤，圍繞中空核心排列成薄片，從而組裝構成納米球。在發育過程中，根據生物體視覺生態的變化，這種材料可以滿足兩種不同的光學功能：幼蟲的隱身要求和成體的暗光視覺。

對人類的啟發和幫助

研究人員模擬眼睛反光偽裝的特性，進行了光學建模。由于該納米球缺乏長程周期性，顯示出光子玻璃結構的短程位置排序，使用分子動力學模擬生成了光子玻璃，其與眼睛里的納米球大小、各種填充分數以及結構都類似。結果顯示，與固體各向同性顆粒相比，使用空心和空心雙折射球體的模擬光子玻璃，可見峰強度增強，同時紅外峰被抑制。

“這種適應性很強的眼睛結構可以幫助幼蟲在海洋中不被察覺，晚上，甲殼類動物遷移到淺水區覓食，并在太陽升起時潛回深水中”，佛羅里達國際大學的進化生物學家 Heather Bracken-Grissom評論道，“這是一種巧妙的偽裝自己的方法”。通過模仿自然界，人類或許可以開發和優化出更好的光子材料，用于太陽能、通信、遙感和其他相關技術。

大自然中其他神奇的隱形動物

玻璃章魚

玻璃章魚（學名：Vitreledonella richardi）的得名，便是因為其身體幾乎完全透明。這種凝膠狀的章魚能長到45厘米長——如果算上觸手的話。它們分布在熱帶和亞熱帶海域，在300米到1000米之間的深度活動。除了消化系統、視神經和眼睛。玻璃章魚并不是唯一能偽裝眼睛的透明動物。許多透明的軟體動物會用鏡面結構來偽裝眼睛，因為鏡面在開闊大洋中更多是反射海水，使眼睛變得隱形。

玻璃魷魚

小頭烏賊又名小頭魷。魷魚中也有許多透明的成員，主要屬于小頭烏賊科（Cranchiidae，它們又被稱為“玻璃魷魚”），大約有60個物種，都幾乎可以一眼看透。這些魷魚生活在世界各個開闊大洋區域，生活深度為200米到1000米之間。盡管身體完全透明，但它們的大眼睛卻不是透明的，在下方游動的掠食者可以很容易發現眼睛投下的影子。不過，玻璃魷魚有一種聰明的偽裝方式。它們能利用眼睛下方的發光體制造出“發光消影”（counter-illumination）的效果。

樽海鞘

樽海鞘是幾乎完全透明的桶狀生物，其身體呈凝膠狀，通過吸入和排出海水，它們能夠同時游動和攝食。樽海鞘依靠濾食海水中的浮游植物為生。盡管看起來有點像水母，但它們其實更為復雜，并且與魚類和脊椎動物關系更加密切。它們還能進行有性繁殖。

寬肌紐鰓樽

有時候，身體透明還不夠，生物體需要其他方法來使自己保持隱形。端足類亞目的物種就演化出了另一種有效的方法。這類微小的甲殼類動物身體透明，外形與蝦很類似。不過，即使是一塊透明的玻璃，你也可以根據上面反射的光亮來發現它的存在。在海洋中這是一個不容忽視的問題，因為許多掠食者會利用生物發光來搜尋獵物。

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來源：賢集網
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