甲壳类幼虫“隐形”材料被发现，能助力人类实现“隐身”吗？-山东化工网

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甲壳类幼虫“隐形”材料被发现，能助力人类实现“隐身”吗？

文章来源：贤集网更新时间：2023-05-05 16:25:30

你一定在电影中见过神奇的隐身衣吧，现实中人类如果想实现“凭空消失”，在科学上还需向前迈出一大步，研究人员也一直在为此努力，然而在海洋圈”隐身“生物却有很多，甲壳类幼虫甚至能将眼睛都隐形，近日科学家终于发现了其中奥秘，原来“隐形”的背后是与这种材料有关。

甲壳幼虫的“隐身”术

海洋中的许多生物都拥有透明的身体，用以逃脱捕食者的追捕。然而，他们也不是全身都透明，比如眼睛，需要对于视觉不可或缺的深色的色素，这成为水中生物的“软肋”，对此，有一些透明生物演化出了一些巧妙的策略，例如减小眼睛和视网膜的尺寸和可见度。

近日，英国剑桥大学Johannes Haataja和以色列本•古里安大学Benjamin A. Palmer等研究者在Science 杂志发表论文，发现了甲壳类幼虫让眼睛隐形的新秘密——在不透明的眼睛色素上覆盖的一种可调反射体。这种反射体由光子玻璃构成，其中含有无数晶体异黄蝶呤纳米球。通过改变纳米球的大小和排列顺序，可调节从深蓝色到黄绿色的反射率，使其颜色与背景相匹配，达到伪装的效果。此外，反射体还可以通过充当感光器之间的光屏来增强眼睛的敏锐度或灵敏度，增强视力。这种多功能反射体为如何利用生物相容的有机分子构建可调人工光子材料提供了灵感。该工作被选为Science杂志当期封面。

反光伪装

研究人员以多种甲壳类动物幼虫为例，包括罗氏沼虾，龙虾，蟹类等，展示了一种透明动物的反光伪装策略：利用光反射器覆盖眼睛的深色部分，从而达到隐藏自身的目的。进一步计算得出，这些生物的眼睛反射率，与采集区域不同深度的海水反射率在光谱上相匹配，从而与周围水的颜色匹配。

眼睛反射体微观结构

反射体不需要反射所有波长的光线，这与甲壳类幼虫生存环境有关。很多甲壳类生物如虾、蟹等的幼虫具备这种“伪装”，其中典型的代表就是罗氏沼虾（Macrobrachium rosenbergii）的幼虫。

通过光学和低温扫描电子显微镜，进一步观察了其微观结构特性。十足目动物的幼虫眼睛，由六边形的眼睛单元构成，这种单元称为小眼。每个眼球的上半部分包含一个蛋白体，也就是结晶锥，用来引导光线至光感器上。研究显示，在结晶锥的底部有一种高度反射的材料，且这种材料不在光路中，使得来自锥体的光可以通过底层光感受器。结晶锥底部的材料，也就是反射体，是由400 nm 左右的颗粒聚集而成，而这些纳米球由结晶的异黄蝶呤组成。

反射体会明显掩盖部分眼色素，既起到“隐形”的作用，还可以在昏暗光线环境中提高幼虫们自身的视力灵敏度。

有趣的是，这些眼睛反射体的晶体纳米球在某种程度上是可调的。生活在淡蓝色水中的幼虫与生活在淡绿色水中的幼虫，反射体中的纳米球大小与排列略有不同，导致了反射波长的变化。比如纳米球大小从~250 nm增加到~400 nm可以使这些幼虫的眼睛颜色从蓝色向黄绿色变化。

眼睛反射体中，晶体纳米球的填充密度通常在50%~70%之间，这比我们通常认为的紧密堆积的光子晶体低得多。研究者利用分子动力学和时域有限差分法来模拟了纳米球大小和填充密度与反射光谱之间的关系，与实验数据相吻合。值得注意的是，如果采用有序的光子晶体结构作为反射层，会产生彩虹色，即颜色随着视角而变化，并不利于自身视力和伪装。而这种晶体异黄蝶呤纳米球堆积形成的光子玻璃可以产生高效的、与角度无关的颜色，同时满足透明度和紧凑性的要求。

在之前的报道中，这种结晶的异黄蝶呤组成的纳米球，也存在于十足目动物的成虫中。异黄蝶呤是一种双折射有机材料，具有迄今为止报道的生物材料中的最高折射率（n0=1.96）。单晶异黄蝶呤，围绕中空核心排列成薄片，从而组装构成纳米球。在发育过程中，根据生物体视觉生态的变化，这种材料可以满足两种不同的光学功能：幼虫的隐身要求和成体的暗光视觉。

对人类的启发和帮助

研究人员模拟眼睛反光伪装的特性，进行了光学建模。由于该纳米球缺乏长程周期性，显示出光子玻璃结构的短程位置排序，使用分子动力学模拟生成了光子玻璃，其与眼睛里的纳米球大小、各种填充分数以及结构都类似。结果显示，与固体各向同性颗粒相比，使用空心和空心双折射球体的模拟光子玻璃，可见峰强度增强，同时红外峰被抑制。

“这种适应性很强的眼睛结构可以帮助幼虫在海洋中不被察觉，晚上，甲壳类动物迁移到浅水区觅食，并在太阳升起时潜回深水中”，佛罗里达国际大学的进化生物学家 Heather Bracken-Grissom评论道，“这是一种巧妙的伪装自己的方法”。通过模仿自然界，人类或许可以开发和优化出更好的光子材料，用于太阳能、通信、遥感和其他相关技术。

大自然中其他神奇的隐形动物

玻璃章鱼

玻璃章鱼（学名：Vitreledonella richardi）的得名，便是因为其身体几乎完全透明。这种凝胶状的章鱼能长到45厘米长——如果算上触手的话。它们分布在热带和亚热带海域，在300米到1000米之间的深度活动。除了消化系统、视神经和眼睛。玻璃章鱼并不是唯一能伪装眼睛的透明动物。许多透明的软体动物会用镜面结构来伪装眼睛，因为镜面在开阔大洋中更多是反射海水，使眼睛变得隐形。

玻璃鱿鱼

小头乌贼又名小头鱿。鱿鱼中也有许多透明的成员，主要属于小头乌贼科（Cranchiidae，它们又被称为“玻璃鱿鱼”），大约有60个物种，都几乎可以一眼看透。这些鱿鱼生活在世界各个开阔大洋区域，生活深度为200米到1000米之间。尽管身体完全透明，但它们的大眼睛却不是透明的，在下方游动的掠食者可以很容易发现眼睛投下的影子。不过，玻璃鱿鱼有一种聪明的伪装方式。它们能利用眼睛下方的发光体制造出“发光消影”（counter-illumination）的效果。

樽海鞘

樽海鞘是几乎完全透明的桶状生物，其身体呈凝胶状，通过吸入和排出海水，它们能够同时游动和摄食。樽海鞘依靠滤食海水中的浮游植物为生。尽管看起来有点像水母，但它们其实更为复杂，并且与鱼类和脊椎动物关系更加密切。它们还能进行有性繁殖。

宽肌纽鳃樽

有时候，身体透明还不够，生物体需要其他方法来使自己保持隐形。端足类亚目的物种就演化出了另一种有效的方法。这类微小的甲壳类动物身体透明，外形与虾很类似。不过，即使是一块透明的玻璃，你也可以根据上面反射的光亮来发现它的存在。在海洋中这是一个不容忽视的问题，因为许多掠食者会利用生物发光来搜寻猎物。

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