W 2019 roku, jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, opóźniony Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba w końcu wystartuje na orbitę. Po zmontowaniu, będzie on wykorzystywał układ 18 sześciokątnych luster do zbierania i skupiania światła z odległych galaktyk. Ten projekt zwierciadeł segmentowych został opracowany w latach 80. i okazał się tak udany, że znajdzie się w prawie wszystkich dużych teleskopach, które zostaną zbudowane w najbliższej przyszłości.
Ale jak zawsze, natura dotarła tam pierwsza. Od milionów lat przegrzebki spoglądają na świat za pomocą dziesiątków oczu, z których każde ma segmentowe lustro, niezwykle podobne do tych w naszych największych teleskopach. A naukowcy właśnie uzyskali dobre spojrzenie na jedno z nich po raz pierwszy.
Tak, te przegrzebki – podsmażone na patelni krążki białego mięsa, które zdobią nasze talerze. Te krążki to tylko mięśnie, których zwierzęta używają, aby zamknąć swoje piękne muszle. Spójrz na pełny, żywy przegrzebek, a zobaczysz zupełnie inne zwierzę. A to zwierzę będzie patrzyło na ciebie, używając dziesiątek oczu, które znajdują się na mięsistym płaszczu na wewnętrznych krawędziach muszli. Niektóre gatunki mają nawet do 200 oczu. Inne mają elektrycznie niebieskie.
Wewnątrz oczu dziwactwo się pogłębia. Kiedy światło wpada do ludzkiego oka, przechodzi przez soczewkę, która skupia je na siatkówce – warstwie komórek wrażliwych na światło. Kiedy światło wpada do oka przegrzebka, przechodzi przez strukturę podobną do soczewki, która… wydaje się nic nie robić. Następnie przechodzi przez dwie siatkówki, ułożone jedna na drugiej. W końcu trafia na zakrzywione lustro z tyłu oka, które odbija je z powrotem na siatkówkę. To właśnie to lustro, a nie soczewka, skupia przychodzące światło, w bardzo podobny sposób, w jaki robią to teleskopy segmentowe.
Michael Land z Uniwersytetu Sussex odkrył wiele z tego w latach sześćdziesiątych, uważnie oglądając oczy pod mikroskopem i śledząc drogę, jaką światło musi przebyć w ich obrębie. Zidentyfikował lustro, pokazał, że składa się ono z warstwowych kryształów i zasugerował, że kryształy te są wykonane z guaniny – jednego z budulców DNA. „To bardzo imponujące, że Land miał rację co do prawie wszystkiego, stosując całkiem proste podejście” – mówi Daniel Speiser z Uniwersytetu Południowej Karoliny, który również bada oczy przegrzebka. „Ale nikt wcześniej nie przyjrzał się dobrze nienaruszonemu lustru.”
More Stories
Problemem jest to, że potężne mikroskopy mają tendencję do odwadniania próbek w procesie ich analizy, a to zrujnowałoby umiejscowienie kryształów lustra. Teraz Lia Addadi z Weizmann Institute of Science znalazła sposób na obejście tego problemu. Jej zespół, w skład którego wchodzą Benjamin Palmer i Gavin Taylor, wykorzystał mikroskop, który szybko zamraża próbki, dzięki czemu wszystko w nich pozostaje na swoim miejscu. W końcu udało im się zrekonstruować strukturę lustra w najdrobniejszych szczegółach, potwierdzając wiele pomysłów Landa i uzupełniając inne.
Lustro składa się z płaskich, kwadratowych kryształów guaniny, każdy o szerokości jednej milionowej metra. Tesselują one razem w siatkę przypominającą szachownicę. Między 20 a 30 z tych siatek następnie układa się jedna na drugiej, z wypełnioną cieczą szczeliną między nimi. Warstwy są ułożone w taki sposób, że kwadraty w każdej z nich leżą bezpośrednio pod kwadratami w poprzedniej. Kryształy i szczeliny między nimi mają odpowiednio 74 i 86 miliardowych części metra grubości, a te dokładne odległości oznaczają, że lustro jako całość świetnie odbija niebiesko-zielone światło – kolor, który dominuje w podwodnym siedlisku przegrzebka.
Cała struktura jest mistrzowską klasą inżynierii precyzyjnej. „Kiedy istnieje eleganckie rozwiązanie fizyczne, proces ewolucyjny jest bardzo dobry w jego znajdowaniu”, mówi Alison Sweeney, fizyk z Uniwersytetu Pensylwanii, która bada widzenie zwierząt.
Ta precyzja jest tym bardziej niezwykła, że kryształy guaniny nie tworzą się naturalnie w cienkie kwadraty. Jeśli wyhodujesz je w laboratorium, otrzymasz gruby graniastosłup. Najwyraźniej szalka aktywnie kontroluje wzrost tych kryształów, kształtując je w trakcie formowania. Kryształy guaniny rosną w warstwach, a Addadi uważa, że przegrzebek w jakiś sposób przesuwa orientację każdej warstwy o 90 stopni w stosunku do warstw powyżej i poniżej. Gdy warstwy rosną na zewnątrz, robią to tylko w czterech kierunkach, tworząc kwadrat. Jak to robi jest tajemnicą, tak jak wszystko inne o sposobie formowania się luster.
Lustro nie jest również nieożywioną strukturą w oku. To żywa istota. Kwadratowe kryształy rosną wewnątrz komórek oka przegrzebka, wypełniając je. To właśnie te komórki następnie teselują się ze sobą, tworząc warstwy. „Komórki nie mogą być martwe” – mówi Addadi – „bo inaczej całość by się rozpadła”. Więc nie tylko komórki muszą kontrolować wzrost kryształów wewnątrz nich, ale także muszą komunikować się ze sobą, aby ułożyć się właśnie tak. „Jak one to robią? Naprawdę nie wiem”, dodaje.
Cokolwiek to jest, wyraźnie daje rezultaty. Wizja przegrzebka nie będzie rywalizować z naszą w najbliższym czasie, ale jest o wiele ostrzejsza niż można by się spodziewać po zwierzęciu, które jest w zasadzie fantazyjnym małżem. Speiser zademonstrował to dekadę temu, umieszczając przegrzebki w małych fotelach i odtwarzając filmy z dryfującymi cząsteczkami jedzenia. Nawet gdy cząstki miały zaledwie 1,5 milimetra szerokości, przegrzebki otwierały swoje muszle, gotowe do jedzenia. „Pomysł, że te zwierzęta tworzą naprawdę ładne obrazy za pomocą swoich oczu jest dla mnie bardzo solidny,” mówi Speiser.
Zespół Addadiego zauważył również, że lustro przegrzebka jest lekko przechylone w stosunku do jego siatkówki. W rezultacie, lustro skupia światło z centrum pola widzenia zwierzęcia na górnej siatkówce, a światło z peryferii na dolnej. Być może właśnie dlatego stworzenie ma dwie siatkówki: Pozwalają mu one skupić się na różnych częściach otoczenia w tym samym czasie.
„To naprawdę niesamowite badanie”, mówi Jeanne Serb z Iowa State University, która również badała oczy przegrzebka. To pomaga rozwiązać zagadkę podwójnych siatkówek – coś, co naukowcy od dawna próbowali rozwiązać, bez powodzenia.
Ale Speiser nie jest całkowicie przekonany. On mówi, że oczy łatwo się zdeformować, gdy są one dissected, a nawet delikatne squish może zmienić orientację lustra i siatkówki. Mimo to nie ma on lepszego wyjaśnienia, mimo że przez ostatnie 12 lat testował kilka możliwych pomysłów. „Nic się nie sprawdziło, a to jest tak dobra hipoteza, jak każda inna”, mówi.
Następnym wielkim celem dla miłośników przegrzebków, dodaje, jest rozpracowanie, dlaczego przegrzebki mają tyle oczu. Prawdopodobnie pozwalają mu one na skanowanie szerokiego obszaru, ale czy bierze pod uwagę informacje z każdego oka osobno, czy też łączy je wszystkie w jeden obraz? Po wiekach badań naukowcy w końcu wiedzą, jak widzi każde oko z osobna. Ale „nadal nie mamy pojęcia, co postrzega zwierzę jako całość”, mówi.