Био-Инфо-Технологии

Краткая подборка сюжетов из области науки биомиметики – как своего рода «разогрев» перед большим материалом об удивительных новых открытиях на стыке информатики, физики и биологии.

Глазастые руки-ноги

(Август 2001)

brittlestar-clr

Американские исследователи из Bell Labs совместно с израильскими коллегами из Вейцмановского института обнаружили удивительные глаза у иглокожих морских животных офиур, близких родственников морских звезд и голотурий, т.е. такого типа беспозвоночных существ, у которых органы зрения в общепринятом понимании отсутствуют в принципе (как было принято считать).

Причем выявленные в скелете офиур массивы микролинз, отвечающих за «офиурное зрение», оказались столь совершенными, что превосходят по своим качествам лучшие достижения современных оптико-коммуникационных технологий человека.

Наблюдающие офиур биологи заметили, что эти животные каким-то непонятным образом реагируют на свет и поэтому намного успешнее скрываются в укрытиях при приближении хищников. Затем к изучению прозрачного кальцитового скелета офиур подключились физики, которые с помощью сканирующего электронного микроскопа обнаружили на конечностях животных большие массивы микроскопических сферических структур диаметром 10-15 микрон.

brittle_ballsПоскольку такие массивы были выявлены лишь у реагирующих на свет животных, было сделано предположение, что эти сферы выполняют роль микролинз. Более тщательное исследование полностью подтвердило гипотезу, поскольку каждая такая микросфера фокусирует свет в точку диаметром менее 3 микрон, другими словами, демонстрирует свойства практически идеальной линзы.

Обычно для кристаллов кальцита характерно свойство двойного лучепреломления, в результате чего изображение раздваивается. Однако, форма и ориентация микролинз скелета офиур обеспечивает преодоление этого недостатка, а строго в фокусе каждой линзы находится нервный узел, подсоединенный к крупному нервному волокну.

Благодаря выдающимся оптическим свойствам микролинз, интенсивность света в каждом нервном узле оказывается в 50 раз выше, чем на поверхности сферы. Короче говоря, в скелете животного явно обнаружен аппарат, напоминающий устройство фасеточного глаза насекомых.

Исследовательская статья, посвященная этому открытию, опубликована в августовском (2001) номере журнала Nature. Подготовившие ее ученые главную ценность своей работы видят в перспективах переноса редкостных свойств природного оптического элемента в массивы микролинз, создаваемые ныне для высокоскоростной, чисто оптической коммутации сигналов в оптоволоконных системах связи.

Aizenberg, J., Tkachenko, A., Weiner, S., Addadi, L. & Hendler, G. Calcitic microlenses as part of the photoreceptor system in brittlestars. Nature 412, 819 — 822 (2001)

#

В животе его горит маленький фонарик

(Январь 2004)

squid-bobtail

В январском (2004) номере журнала Science опубликована статья американских биологов о необычном головоногом – маленьком, меньше десяти сантиметров, гавайском кальмаре «бобтейл», официально именуемом Euprymna scolopes.

Главная особенность этого животного – находящийся в нижней части тела биологический прожектор, который кальмар может включать и выключать при поисках пищи в темноте или для обмана хищных рыб, скрывая светом силуэт собственной тени.

Как считают ученые, полное понимание устройства этого необычного биоаппарата поможет в разработке более эффективных оптоэлектронных нанотехнологий.

Прожектор кальмара-бобтейла представляет собой весьма развитый оптический прибор – с источником света, сложной конструкции рефлектором и фокусирующей линзой.

В качестве источника света служит колония светящихся бактерий Vibrio fischeri, живущих в симбиозе только с эти кальмаром на вполне определенном участке его тела. Колония люминесцентных бактерий со всех сторон окружена системой из многих тысяч микроскопических светоотражательных пластин, формирующих рефлектор.

В отличие от большинства других подводных обитателей, светоотражающие пластины которых обычно образованы кристалликами особого химического вещества пурина, у кальмара-бобтейла светоотражательная ткань имеет белковый состав. Причем белки здесь обнаружены весьма специфические – авторы статьи дали им собственное название «рефлектины».

В молекулах таких белков выявлено существенно иное сочетание аминокислот – не 20, как обычно, а лишь 6, но повторяющихся 5 раз. По сути дела, говорится в статье, рефлектины дают примечательный образец производства фотонных нанорешетчатых структур в природных условиях.

Другие эксперты, ознакомившиеся с данной статьей, согласны, что глубокое понимание механизма формирования микропластин из рефлектинов способно повлиять на создание принципиально новых, «мягких» оптических и спектрометрических приборов.

Также имеется на будущее и еще одна большая задача: пока что совершенно неясно, каким образом кальмару удается включать и выключать свой био-прожектор в нужные для него моменты.

Crookes, W. J. et al. Reflectins: The Unusual Proteins of Squid Reflective Tissues. Science 303, 235-238 (January 9, 2004)