Новый механизм генерации цвета обнаружен в «радужном» долгоносике

Исследователи из Йельского университета и Швейцарского университета в Фрайбурге обнаружили новый механизм генерации цвета в природе, который, если его использовать, имеет потенциал для создания косметических средств и красок с более чистыми и яркими оттенками, которые проектируют одинаковые истинные изображения при просмотре под любым углом и даже уменьшить потерю сигнала в оптических волокнах.

Винодкумар Саранатан возглавил исследование вместе с доктором Бодо Д. Уилсом из Института Адольфа Меркле в Университете Фрайбурга. Ученые изучали радужные рисунки на крыльях жука-долгоносика с Филиппин (pachyrrhynchus congestus pavonius), используя высокоэнергетические рентгеновские лучи, а также выполнили детальную сканирующую электронную микроскопию и оптическое моделирование. Исследование было опубликовано в рецензируемом журнале Small.

Они обнаружили, что для создания радужной палитры цветов, долгоносик использовал механизм генерации цвета, который до сих пор встречается только у кальмаров, каракатиц и осьминогов, которые известны своим камуфляжем, изменяющим цвет.

Радужные пятна у долгоносика состоят из почти круглых чешуек, расположенных в концентрических кольцах разных оттенков, от синего в центре до красного снаружи, как радуга. Хотя многие насекомые обладают способностью вырабатывать один или два цвета, редко бывает, что одно насекомое может производить такой широкий спектр цветов. Исследователи заинтересованы в выяснении механизма естественного образования этих цветообразующих структур, поскольку современная технология неспособна синтезировать структуры такого размера.

«Конечная цель исследований в этой области — выяснить, как долгоносик самостоятельно собирает эти структуры, потому что с нашей нынешней технологией мы не можем этого сделать», — сказал доктор Саранатан.

«Способность создавать структуры, которые могут обеспечить высокую точность цвета независимо от угла зрения, с которым вы его просматриваете, будет иметь приложения в любой отрасли, которая занимается производством цвета. Мы можем использовать эти структуры в косметике и других областях, чтобы обеспечить высокоточные оттенки или цифровые дисплеи на вашем телефоне или планшете, которые позволят вам просматривать его под любым углом и видеть одинаковое истинное изображение без каких-либо цветовых искажений. Мы можем даже использовать их, чтобы сделать отражающую оболочку для оптических волокон, чтобы минимизировать сигнал потери во время передачи».

Ученые исследовали радужные структуры, чтобы определить, что они состоят из трехмерной кристаллической структуры, созданной из хитина (основного ингредиента экзоскелетов насекомых). Они обнаружили, что яркие цвета радуги у долгоносика определяются двумя факторами: размером кристаллической структуры, которая составляет каждую чешуйку, а также объемом хитина, используемого для создания кристаллической структуры.

Большие чешуйки имеют большую кристаллическую структуру и используют больший объем хитина для отражения красного света; меньшие имеют меньшую кристаллическую структуру и используют меньший объем хитина для отражения синего света.

По словам доктора Саранатана, который ранее исследовал более 100 видов насекомых и пауков, и каталогизировал их механизмы генерации цвета, способность долгоносика одновременно контролировать как размерные, так и объемные факторы для тонкой настройки полученного цвета никогда ранее не была замечена у насекомых.

Это отличается от обычной стратегии, используемой природой для получения различных разных оттенков у одного и того же животного, где структуры хитина имеют фиксированный размер и объем, а разные цвета генерируются путем ориентации структуры под разными углами, что отражает разные длины волн света.

Bodo D. Wilts, Vinodkumar Saranathan. A Literal Elytral Rainbow: Tunable Structural Colors Using Single Diamond Biophotonic Crystals in Pachyrrhynchus congestus Weevils. Small, 2018; 1802328 DOI: 10.1002/smll.201802328