Τετάρτη, 11 Μαρτίου 2015

Ο χαμαιλέοντας αλλάζει χρώμα με τρικ νανοτεχνολογίας. Chameleon color changing abilities unlocked by science

Οι ερευνητές εξέτασαν τον άκρως παρδαλό χαμαιλέοντα-πάνθηρα της Μαδαγασκάρης. A paper has been published this week in Nature Communications which shows how chameleons are able to swiftly and radically alter their exterior colors. Believe it or not, this study is brand new - science did not know how a creature like the Panther Chameleon was able to change colors based on emotion or surroundings. In addition to uncovering the secrets of miniature nanocrystals for color change, these scientists also uncovered another reason for their existence: passive thermal protection (made to keep cool).

Ακολουθώντας... στυλιστικές συμβουλές, οι χαμαιλέοντες επιλέγουν χρώματα ανάλογα με τη διάθεσή τους. Όμως ο μηχανισμός με τον οποίο δημιουργούν τα παρδαλά τους σχέδια έχει μια μεγάλη δόση νανοτεχνολογίας.

Για πολύ καιρό, οι ζωολόγοι πίστευαν ότι αυτά τα ιδιαίτερα ερπετά αλλάζουν χρώμα όπως τα καλαμάρια ή σουπιές, τεντώνοντας κύτταρα του δέρματος που περιέχουν χρωστικές ουσίες.

Αυτό, όμως, αποδεικνύεται ανακριβές. Μελέτη που δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Nature Communications» αποκαλύπτει ότι οι χαμαιλέοντες αλλάζουν χρώμα ρυθμίζοντας ένα πλέγμα άχρωμων νανοκρυστάλλων στο επιφανειακό στρώμα του δέρματος. Ανάλογα με τη ρύθμιση, οι νανοκρύσταλλοι ανακλούν διαφορετικά χρώματα.

Η μελέτη πραγματοποιήθηκε με τον άκρως παρδαλό χαμαιλέοντα-πάνθηρα (Furcifer pardalis) της Μαδαγασκάρης. Τα ευρήματα, όμως, πρέπει να ισχύουν και για αρκετά ακόμα από τα 180 χαμαιλέοντα που υπάρχουν σε όλο τον κόσμο.

Ο νέος μηχανισμός

Figure 1: Colour change and iridophore types in panther chameleons. a) Reversible colour change is shown for two males (m1 and m2): during excitation (white arrows), background skin shifts from the baseline state (green) to yellow/orange and both vertical bars and horizontal mid-body stripe shift from blue to whitish (m1). Some animals (m2 and Supplementary Movie 2) have their blue vertical bars covered by red pigment cells. (b) Red dots: time evolution in the CIE chromaticity chart of a third male with green skin in a high-resolution video (Supplementary Movie 3); dashed white line: optical response in numerical simulations using a face-centred cubic (FCC) lattice of guanine crystals with lattice parameter indicated with black arrows. (c) Haematoxylin and eosin staining of a cross-section of white skin showing the epidermis (ep) and the two thick layers of iridophores (see also Supplementary Fig. 1). (d) TEM images of guanine nanocrystals in S-iridophores in the excited state and three-dimensional model of an FCC lattice (shown in two orientations). (e) TEM image of guanine nanocrystals in D-iridophores. Scale bars, 20μm (c); 200nm (d,e).

Η αλήθεια είναι ότι δέρμα του χαμαιλέοντα μπορεί να περιέχει καφετιά, κόκκινα και κίτρινα χρώματα, τα οποία όμως δεν επαρκούν για την παραγωγή μιας τόσο μεγάλης γκάμας χρωμάτων. Το μυστικό, αναφέρουν οι ερευνητές, είναι τα λεγόμενα «δομικά χρώματα».

O χαμαιλέοντας-πάνθηρας αλλάζει χρώμα σε βίντεο από τη μελέτη. 

«Τα χρώματα αυτά παράγονται χωρίς χρωστικές ουσίες μέσω ενός φυσικού φαινομένου οπτικής παρεμβολής. Είναι αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης ανάμεσα σε συγκεκριμένα μήκη κύματος του φωτός και μικροσκοπικές δομές, όπως οι κρύσταλλοι που υπάρχουν στο δέρμα των ερπετών» εξηγεί ο Μίτσελ Μιλίνκοβιτς, επικεφαλής της μελέτης.

Κύτταρα που υπάρχουν στην επιφάνεια του δέρματος και ονομάζονται «ιριδοφόρα» περιέχουν νανοκρυστάλλους της ουσίας γουανίνης, μιας από τις τέσσερις χημικές βάσεις στην αλυσίδα του DNA. Οι κρύσταλλοι αυτοί βρίσκονται διατεταγμένοι σε ένα πλέγμα, το οποίο όμως μπορεί να τεντώνεται ή να συρρικνώνεται ανάλογα με τις διαθέσεις του ζώου. Και, όσο πιο πολύ τεντώνεται το πλέγμα, τόσο μεγαλύτερα είναι τα μήκη κύματος του φωτός που ανακλά.

«Ανακαλύψαμε ότι ο χαμαιλέοντας αλλάζει χρώμα μέσω της ενεργής ρύθμισης ενός πλέγματος νανοκρυστάλλων» αναφέρει ο Μιλίνκοβιτς. «Όταν το ζώο είναι ήρεμο, οι κρύσταλλοι οργανώνονται σε ένα πυκνό δίκτυο που ανακλά τα μπλε μήκη κύματος. Όταν όμως βρίσκεται σε διέγερση, το πλέγμα νανοκρυστάλλων χαλαρώνει, κάτι που επιτρέπει την ανάκλαση άλλων χρωμάτων όπως το κίτρινο και το κόκκινο».

Η αλλαγή αυτή μπορεί να συμβεί, για παράδειγμα, όταν ένα αρσενικό βρεθεί αντιμέτωπο με κάποιον ανταγωνιστή, ή όταν θέλει να φλερτάρει κάποιο θηλυκό.

Αυτή η τεχνική νανοτεχνολογίας που ανέπτυξε ο χαμαιλέοντας στην πορεία της εξέλιξης έχει όμως και μια δεύτερη χρήση.

Figure 3: Iridophore types in lizards and function of D-iridophores in chameleons. (a) In addition to F. pardalis (Fig. 1), other chameleonidae (top to bottom: Chamaeleo calyptratus, Rhampholeon spectrum and Kinyongia matschiei) exhibit two superposed layers of (S- and D-) iridophores, whereas agamids (the sister group to chameleons) and gekkonids have a single-type iridophore layer (top to bottom: Agama mwanzae, Pogona vitticeps and Phelsuma grandis). Scale bar, 500nm. (b) Reflectivity (R) of a panther chameleon white skin sample and solar radiation spectrum (blue curve) at sea level (1,000Wm2); the product of the solar radiation spectrum and (1R) yields the amount of sun radiation absorbed by deep tissues (red curve, 548Wm2). (c) The product of the Fourier power spectrum (red curve, computed from TEM images of D-iridophores) and the extinction coefficient of skin29 (blue inset) yields a predicted reflectivity distribution (green curve) similar to the measured reflectivity spectrum (black dashed curve) of a panther chameleon red skin sample.

Βαθύτερα μέσα στο δέρμα, έδειξε η μελέτη, υπάρχει ένα δεύτερο στρώμα ιριδοφόρων κυττάρων που ανακλά το υπέρυθρο φως, δηλαδή τη θερμική ακτινοβολία. Αυτό επιτρέπει στο ερπετό να ρυθμίζει τη θερμοκρασία του όταν για παράδειγμα βρίσκεται στον ήλιο.

Χάρη στα ιριδοφόρα, επομένως, ο χαμαιλέοντας απολαμβάνει απέξω εμφάνιση κι από μέσα άνεση.