Глаз мухи и другие нанотехнологии

Глаз мухи Кажется, они были всегда… Сотни миллионов лет назад они наблюдали за появлением первых динозавров, а затем и за их гибелью. Они жили рядом с первыми млекопитающими и были свидетелями их расцвета. Они наблюдают за нами с момента появления наших предков — так, может, пора и нам взглянуть на них повнимательнее?

Насекомых начали изучать довольно давно, поэтому о них известно очень многое. Но можем ли мы сказать, что знаем о них все? Определенно нет! Вот, казалось бы, их строение детально описано предыдущими поколениями натуралистов, однако и в этой области часто обнаруживаются весьма любо­пытные вещи. В данном случае речь пойдет о функциональных особенностях строения поверхности, которые членистоногие начали использовать за многие тысячи лет до появления че­ловека. Именно такие явления люди только сейчас начинают применять для своих нужд и называют это «инновационными достижениями». Но обо всем по порядку.

Блики на лице

Первые несколько веков становления энтомологии описывали внешний вид насекомых «на глаз». И если поначалу им при­ходилось довольствоваться остротой собственного зрения, то после изобретения микроскопа задача классификации значительно упростилась. Были детально описаны жилки на поверхности перепончатого крыла, разъяснено устройство сложного фасеточного глаза и его структурной единицы — омматидия, или простого глаза (рис. 1, а—д). С увеличением числа исследованных видов неизвестных структур становилось меньше и меньше, и все говорило о том, что предела разреше­ния оптической микроскопии вполне достаточно для точного описания таких объектов.

Однако после изобретения в 30-х годах ХХ века электрон­ной микроскопии ученым открылись объекты гораздо более мелкие. В 60-е годы было опубликовано несколько статей, в которых впервые сообщалось, что глаз насекомых помимо микроструктуры (от сотен до тысяч фасеток) обладает также наноструктурой: поверхность роговичной линзы отдельного омматидия покрыта множеством маленьких бугорков. Если размер фасетки — в среднем около 20 мкм, то поперечный размер обнаруженных бугорков (nipples, англ. «сосочки») составляет около 200 нм.

В те годы было исследовано множество видов, преимуще­ственно бабочек и мотыльков, и определены различия в высоте наноструктур на поверхности роговичной линзы. Она может ва­рьировать от нуля (иными словами, отсутствовать) до четверти микрона. Но зачем насекомым эти бугорки?

Ученые показали, что наличие наноструктур такого рода спо­собствует лучшему поглощению света, а это, в свою очередь, позволяет насекомому лучше видеть. Безусловно, хорошее зрение важно практически для всех видов, но для ночных и летающих насекомых точная ориентация в пространстве жизненно необходима. Поэтому неудивительно, что глаза большей части бабочек и мотыльков «оснащены» нанобугор­ками.

Устройство глаза насекомыхУстройство сложного глаза насекомых: голова насекомого (а); электронно-микроскопическое изображение сложного глаза (б);роговичные линзы омматидиев, или фасетки (в); нанобугорки на поверхности омматидиев (г). Внизу — схематическое изображение поперечного разреза простого глаза — омматидия (д) и антибликовые структуры (е, ж, з): однослойное просветляющее покрытие с показателем преломления п2 =соnst(п1> п2> п); просветляющее покрытие с градиентом показателя преломления п2 (х), изменяющимся от п0 до п; и наноструктурированная поверхность фасетки. Красными кругами выделены области, где волны интерферируют и гасят друг друга. Изображения (в) и (г) были получены автором статьи на атомно-силовом микроскопе

 

ГлазНаноструктура глаз дрозофилы, дикий и мутантные типы. У дрозофилы дикого типа (а) омматидии упакованы плотно, у мутанта Frizzled (г) наблюдается фенотип «рыхлый глаз». Это подтверждают дифракционная картина и преобразования Фурье изображений глаз дикого типа, где шестиугольник говорит о гексагональной упаковке, и мутанта Frizzled, где размытое кольцо указывает на случайное распределение фасеток (б, д). Распределение бугорков случайно как у дикого типа, так и у мутанта (в, е). Внизу — сравнение дикого типа с мутантом Glazed (ж, з). При данной мутации не только нарушается упаковка омматидиев — нанобугорки также претерпевают значительные изменения и уменьшены в размерах. Как следствие, глаза мутантной мушки дают больше бликов из-за нарушения антиотражательного слоя

 

Что же делает глаза с нанобугорками более зоркими? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к одной важной задаче просветления оптики: задаче создания небликующей (хорошо поглощающей свет) поверхности. Такие поверхности исполь­зуются, например, в фото- и видеотехнике.

Самое простое решение — нанести на линзу тонкую (обычно в четверть длины волны) пленку с показателем преломления определенной величины n2, промежуточной между показате­лями преломления линзы и воздуха (рис. 1е). В такой пленке волны, отраженные от верхнего и нижнего слоя, интерфериру­ют друг с другом и взаимно гасятся. Это позволяет увеличить светопропускание оптической системы за счет уменьшения доли отраженного света, что нужно, например, для получения более качественных снимков или удаления бликов с монитора.

Изготовление высококачественных просветляющих пле­нок — не такая уж простая задача. Длины волн видимого света находятся в диапазоне 400—750 нм, поэтому для наилучшего эффекта требуются многослойные пленки, в которых для каж­дой длины волны найдется своя толщина пленки х. Наиболее выигрышный подход — создать неоднородную пленку, в кото­рой показатель преломления n2(x) не постоянен, а изменяется по градиенту: от показателя преломления среды n0 в верхнем слое до показателя преломления линзы в нижнем слое n1 (рис. 1ж). Так можно добиться равномерного поглощения всех длин волн в оптическом диапазоне. Насекомые справились с этой задачей по-своему — они хорошо видят, потому что смогли изменить геометрию поверхности своего глаза (рис. 1з). Слой из нанобугорков, если его толщина меньше длины волны падающего света, ведет себя как пленка с изменяющимся по­казателем преломления. Все просто!

Так насекомые продемонстрировали человеку нанотехноло­гию, которую можно применять повсеместно, в самых разных сферах деятельности. Самое привлекательное в ней то, что для создания аналогичных антибликовых покрытий не нужно подбирать материалы с какими-то исключительными свойства­ми. Главное — повторить геометрию такой поверхности, а это можно сделать довольно точно, используя природную нано­структуру как шаблон. Например, поверхности глаз насекомых могут быть воспроизведены при изготовлении ячеек солнечных батарей. Это сразу повысит поглощение солнечной энергии без замены известных материалов на новые — достаточно задать нужные параметры производства.

Про мутантов

С 2009 года начались детальные исследования наноструктур глаз насекомых в Пущинском научном центре РАН совместно с Университетом Лозанны (Швейцария). Среди первых работ, опубликованных этим коллективом, было систематическое исследование глаз плодовой мушки Drosophila melanogaster (см. ссылку в конце статьи). Дрозофила — хорошо изученный модельный организм, ее геном полностью секвенирован, опи­сано большое число генетических мутаций. Идеальный объект!

При помощи методов атомно-силовой микроскопии мы опре­делили и охарактеризовали поверхности омматидиев дикого типа Drosophila melanogaster. И сразу начались неожиданности.

Так, многие годы считалось, что нанобугорки на поверхности омматидия имеют плотную гексагональную упаковку. Однако многочисленные исследования показали, что глаза простой плодовой мушки, вопреки устоявшемуся в научном сообществе мнению, обладают необычной разупорядоченной нанострукту­рой (рис. 2в). При этом упаковка омматидиев действительно гексагональная (рис. 2 а, б). Таким образом, наноструктура глаза мухи в некотором смысле случайна, в то время как макроструктура строго упорядочена.

Нанобугорки на поверхности фасетки дрозофилы неболь­шие — около 30 нм в высоту (для сравнения, у чешуекрылых вы­сота может быть более 200 нм). Расстояние между соседними нанобугорками составило примерно 200 нм, то есть не отлича­лось от среднего значения у других насекомых. Именно такие размеры обеспечивают эффект просветляющего покрытия.

Разобравшись с особенностями структуры поверхности глаза простой плодовой мушки, мы проанализировали влия­ние хорошо описанных мутаций на морфологию поверхности глаза: Frizzled (от англ. «завитой, взъерошенный») и Glazed («глянцевый»).

У мутантов с фенотипом Frizzled в целом нарушена пло­скостная ориентация клеток (planar cell polarity), из-за этого покровы насекомого неправильно развиваются. Плоскостная ориентация клеток указывает каждой клетке, как ей расти в зависимости от ее расположения, нарушение же данной регуляции вызывает необратимые изменения во всех тканях особи. Глаза такой мухи — печальное зрелище! Характерный признак мутанта с фенотипом Frizzled — «рыхлый глаз» (это официальный термин!) с сильно нарушенной гексагональной упаковкой омматидиев (рис. 2, г, д). Атомно-силовая микроско­пия позволила обнаружить последствия мутации и основную причину нарушения упаковки омматидиев — между фасетками оказались включения материала линзы, которых в норме там не должно быть.

Мухи-мутанты с фенотипом Glazed интересны по другой причине: глаза у них меньше, чем у дикого типа, и значительно сильнее отражают свет (поверхность больше «бликует»). Анализ наноструктуры их глаз показал, что отражение света усилива­ется из-за уменьшения высоты нанобугорков (рис. 2, ж, з). Так было получено экспериментальное подтверждение влияния высоты наноструктуры на отражательную способность глаза у насекомых одного и того же вида.

Кстати, здесь следует упомянуть, что антибликовая функция фасеточного покрытия насекомых может играть еще одну важную роль — она делает насекомое менее заметным. Как показывают расчеты, выигрыш в поглощении света, а значит, и в остроте зрения обычно составляет всего несколько процентов, в то время как уменьшение блеска глаза может отличаться в несколько раз! Это явно способствует выживаемости: хищные насекомые с такими глазами могут ближе подбираться к жерт­ве, а жертвы — лучше прятаться.

При исследовании еще нескольких мутантных линий плодо­вой мушки мы выявили ключевые белки, формирующие рого­вичную линзу омматидиев. Генетические манипуляции позво­лили определить степень и характер влияния каждого из белков на строение простого глаза мухи. Вводя такие белки в систему, можно управлять формированием структуры фасеток, создавая нужный фенотип. Например, введя мухе гомологичные белки пчелы, мы можем получить особь с «пчелиными» глазами. Вот только как это использовать на практике — пока не ясно…

Наш ответ — биомиметика!

Большую часть идей, касающихся структурированной поверх­ности, человек почерпнул из наблюдений за разнообразием окружающего мира. История науки знает немало примеров, когда непонятное на первый взгляд эволюционное приспо­собление оказывалось гениальным изобретением природы. Сформировалось даже целое научное направление — био­миметика, использующая идеи живой природы для решения технологических задач. Вернемся немного назад во времени и проследим за открытием одной такой идеи.

В 70-е годы ХХ века ученым удалось объяснить механизм эффективного отталкивания воды листьями лотоса. Считалось, что данный эффект обеспечивается воскоподобным покрыти­ем или идеально гладкой поверхностью. Позднее это явление назвали супергидрофобностью. На самом деле причина не в гладкой поверхности, а в ее особой структуре: листья лотоса покрыты множеством плотно посаженных бугорков. Капли мо­гут касаться только их верхушек, а стечь ниже им не позволяет сила натяжения жидкости. Площадь соприкосновения капель с поверхностью слишком мала, и они без задержки стекают с листа при малейшем наклоне. Важно различать гидрофобный эффект вещества на молекулярном уровне (химический) и ги­дрофобный эффект, вызываемый специфической геометрией поверхности, — это совершенно разные вещи, хотя они и могут использоваться совместно!

Каковы же размеры этих бугорков? Недавние исследования показали, что в общем случае для обеспечения гидрофобности требуются размеры от десятков, как у листа лотоса, до долей микрона. Размеры нанобугорков глаз насекомых — около нижней границы этих значений (рис. 3).

Глаз насекомых3
Наноструктуры глаз насекомых весьма многообразны. Глаза ночных бабочек (а) обладают самыми высокими антибликовыми свойствами за счет строгой упорядоченности нанобугорков и их большой высоты — 200 нм. Специфические наноструктуры на поверхности глаз ногохвостки (б) необходимы для достижения гидрофобности — вода никогда не попадет насекомому в глаза. У разных видов насекомых наноструктуры глаз могут заметно различаться, как, например, у мух (в, д), клопов (г) и мотыльков (е). Какой эффект достигается за счет различий в геометрии поверхности, ответить сложно. Внизу — микроструктура сложного глаза бабочек (ж, з). Несмотря наразнообразие наноструктур, микроструктура глаз обычно сходна у всех видов. Серьезные отличия удается найти нечасто — нам повезло!

 

Немногим позднее был описан противоположный эффект, названный «эффектом лепестков розы», — поверхность с по­вышенной гидрофильностью, к которой вода как бы прилипает. И вновь гидрофильность обеспечивается именно геометрией, а не химическим составом! Вот что самое интересное — для одного и того же вещества свойства поверхности можно с легкостью изменять от гидрофильных до гидрофобных, и все это за счет простых бугорков.

В завершение нужно сказать, что наноструктуры, которыми усердно пытается овладеть и человек, могут скрывать еще не описанные к настоящему моменту свойства. Возможно, описав их многообразие и изучив физические характеристики, мы сможем из любого подручного вещества создавать материалы с необходимыми нам качествами и управлять ими по нашему желанию. Природа таит множество уникальных, элегантных и остроумных решений, возникших за миллиарды лет эволюции. Человеку стоит искать их, находить и удивляться, а затем изучать и повторять природные нанотехнологии, используя весь арсенал доступных ему методов — генетические манипуляции, физические методы и математическое моделирование.

 А.В.Сергеев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>