Äyriäistoukilla uskomaton kyky: Onnistuvat naamioimaan silmänsä näkymättömiksi

Läpinäkyvyys auttaa monia pieniä merieläimiä välttämään petoja ja siten säilymään hengissä, mutta tällä piiloutumiskeinolla on hintansa. Täydellisen läpinäkyvä olento ei voi nähdä mitään itse, sillä näköaisti edellyttää valon imeytymistä silmään. Niinpä silmä erottuu ulospäin tummana täplänä.

Nyt kansainvälinen kemistien ja nanotieteilijöiden tutkijaryhmä on selvittänyt, miten äyriäisten pikkuiset toukat kiertävät rajoitetta mahdollisimman hyvin – eli miten ne optimoivat näkökykyään ja yrittävät samaan aikaan olla niin näkymättömiä kuin mahdollista. Tutkimuksella on merkitystä juuri läpinäkyvyyden ja näköaistin yleisen tason ristiriidan vuoksi.

Arvostetussa Science-lehdessä torstaina julkaistun tieteellisen artikkelin mukaan äyriäistoukat naamioivat silmiään mukauttamalla verkkokalvon heijastamaa väriä ympäristön valaistukseen. Näin silmän väri katoaa taustaan erilaisissa oloissa, vaikka silmä ei olekaan läpinäkyvä.

Väriä ei aiheuta väriaine, vaan niin sanottu fotoninen lasi eli muutaman sadan nanometrin kokoisista palleroista koostuva nanokomposiittimateriaali. Pallot itsessään muodostuvat äyriäisten tapauksessa isoksantopteriini-nimisestä värittömästä orgaanisesta aineesta, joka muistuttaa molekyylirakenteeltaan jossain määrin dna:n guaniini-emästä. Pallot ovat rakenteeltaan onttoja.

Nämä seikat on tiedetty jo joitakin vuosia. Benjamin Palmerin johtamat israelilaiset kemistit, jotka löysivät nanopallerot merieläimistä, eivät kuitenkaan onnistuneet selvittämään värin vaihtumisen mekanismia.

Uudessa tutkimuksessa Palmerin ryhmä yhdisti voimat brittiläisen Cambridgen yliopiston kanssa, ja syy selvisi: äyriäiset onnistuvat säätelemään isoksantopteriinipallukoiden välimatkaa silmänpohjansa fotonisessa lasissa. Se vaikuttaa materiaalin heijastamaan väriin.

Toisin sanoen äyriäistoukkien silmissä piilee monimutkainen nanotekninen näkymättömyyskone – tai ainakin naamiointikone.

Pallukoiden välimatkan lisäksi äyriäisten silmien heijastamaan väriin vaikuttaa pallojen itsensä koko. Eri äyriäislajeilla halkaisija vaihtelee noin 250 ja 400 nanometrin välillä. Rakenneparametreja on siis kaksi, täsmentää suomalainen nanotekniikan tohtori Johannes Haataja.

Tutkimusta Cambridgen osalta johtanut Haataja työskentelee nykyisin Aalto-yliopistossa akatemiatutkijana. Aiemmin hän vietti kolme vuotta Englannissa.

Toisaalta kaikkea ei saatu vielä selville. Miten äyriäistoukat onnistuvat pallojen välimatkan säädössä, ei tiedetä, Haataja kertoo. Se kuitenkin tiedetään, että silmien värin mukautuminen valaistuksen muuttumiseen ei ole valtaisan nopeaa, vaan vie pari tuntia kerrallaan.

Haatajan osuutena tutkimuksessa oli simulaatio, josta saatiin ennuste palleroiden koon ja välimatkan sekä niiden heijastaman värin riippuvuudesta. Laskut vastasivat mittauksia hyvin.

Haataja sai selville myös sen, että isoksantopteriinin materiaaliominaisuudet parantavat heijastavuutta. Aineen tiheys on orgaaniseksi materiaaliksi suuri (2,17 kg/L) ja sen taitekerroin yksi korkeimmista orgaanisten molekyylien joukossa.

Näkymättömyysmekanismi ei rajoitu vain yhteen lajiin, vaan sitä on löytynyt toukkien silmistä eri puolilta äyriäisten sukupuuta ainakin kuoriäyriäisten (Malacostraca) luokan lajeilla, Haataja huomauttaa. Kuoriäyriäisiin kuuluvat muun muassa ravut, katkaravut ja hummerit.

Kun toukat kasvavat aikuisiksi, niille kasvaa kiinteä kuori, joka ei enää ole läpinäkyvä. Niinpä naamiointia silmissäkään ei enää tarvita, ja nanopallerokerros siirtyy verkkokalvon edestä sen taakse.

Tutkimuksen mahdollisina sovelluskohteina Haataja mainitsee pigmenttivapaat väriaineet. Näkymättömyysviittoja ihmisten käyttöön sitä vastoin ei ole odotettavissa, tutkija toppuuttelee.

Tutkijoiden artikkeli nostettiin näyttävästi Science-lehdessä perjantaina 17. helmikuuta ilmestyvän paperilehden numeron kanteen. Amerikkalainen Science ja sen kilpailija englantilainen Nature ovat tasapäin maailman kaksi arvostetuinta tieteellistä julkaisua.

Käytännön laboratoriotutkimuksesta suurimman vastuun kantoi israelilaisopiskelija Keshet Shavit.

Mitä fotoniset kiteet ja lasit ovat?

Fotoniset kiteet ja lasit ovat komposiittimateriaaleja, jotka muodostuvat muutaman sadan nanometrin kokoisista osasista, yleensä palloista. Koska palleroiden koko ja niiden välinen etäisyys ovat samassa suuruusluokassa kuin näkyvän valon aallonpituudet, valo vuorovaikuttaa materiaalin kanssa ja synnyttää värejä.

Fotonisissa kiteissä pallukat ovat järjestyneet säännölliseen hilaan. Fotonisessa lasissa pompulat sijaitsevat sikin sokin, eli nanorakenne on amorfinen.

Tämäkin seikka auttaa äyriäistoukkia, jotka yrittävät piilotella pedoilta, Haataja kertoo. Fotonisten kiteiden väri nimittäin muuttuu sen mukaan, mistä suunnasta materiaalia katsellaan, mutta fotonisen lasin ei.

Toisaalta isoksantopteriinipallukat ovat molekyylitasolla kiteistä ainetta, eivät amorfista. Tämä on mahdollista, sillä komposiittimateriaaleilla on useita eri rakenteen tasoja.

Haatajan mukaan aineen kiteisyys korostaa äyriäisten silmien hienoutta, sillä isoksantopteriinin kiteyttäminen on vaikeaa. Laboratoriossa ei ole onnistuttu vielä valmistamaan samaa kahtaistaittoa synnyttävää kidemuotoa, joka äyriäisten silmistä löytyy.