Een nieuw blauw: mysterieuze oorsprong van de elektrische blauwe vlekken van de pijlstaartrog onthuld

Onderzoekers hebben de unieke nanostructuren ontdekt die verantwoordelijk zijn voor de elektrische blauwe vlekken van de blauwgevlekte lintstaartrog (Taeniura lymma), met mogelijke toepassingen voor het ontwikkelen van chemievrije kleuring. Het team doet ook doorlopend onderzoek naar de even raadselachtige blauwe kleuring van de blauwe haai (Prionace glauca).

Dit onderzoek, getiteld “Ribbontail Stingray Skin Employs a Core–Shelf Photonic Glass Ultrastructure to Make Blue Structural Color”, is gepubliceerd in Geavanceerde optische materialen .

Huidskleur speelt een belangrijke rol in de communicatie van organismen, en biedt levensbelangrijke visuele aanwijzingen die kunnen waarschuwen, aantrekken of camoufleren. Bluespotted ribbontail rays bezitten opvallende elektrische blauwe vlekken op hun huid. De biologische processen die deze elektrische blauwe vlekken produceerden, waren echter tot nu toe een mysterie.

“Als je blauw in de natuur ziet, kun je er bijna zeker van zijn dat het is gemaakt door weefsel nanostructuren, niet door pigment,” zegt Mason Dean, universitair hoofddocent vergelijkende anatomie aan de City University of Hong Kong (CityU). “Het begrijpen van de structurele kleur van dieren gaat niet alleen over optische fysica, maar ook over de betrokken materialen, hoe ze nauwkeurig zijn georganiseerd in het weefsel en hoe de kleur eruitziet in de omgeving van het dier. Om al die stukjes bij elkaar te brengen, hebben we een geweldig team van disciplines uit meerdere landen samengesteld, wat resulteerde in een verrassende en leuke oplossing voor de pijlstaartrog kleurenpuzzel.”

Structurele kleuren worden geproduceerd door extreem kleine structuren die licht manipuleren, en zijn dus niet het resultaat van chemische pigmenten.

“Blauwe kleuren zijn vooral interessant omdat blauwe pigmenten extreem zeldzaam zijn en de natuur vaak nanoschaalstructuren gebruikt om blauw te maken,” zegt Viktoriia Kamska, een postdoc die natuurlijke kleuringsmechanismen bestudeert bij CityU. “We zijn vooral geïnteresseerd in pijlstaartroggen, omdat hun blauwe kleur, in tegenstelling tot de meeste andere structurele kleuren, niet verandert als je ze vanuit verschillende hoeken bekijkt.”

Het onderzoeksteam combineerde verschillende technieken om de huidarchitectuur onder verschillende natuurlijke omstandigheden te begrijpen.

“Om de fijnmazige architectuur van de huid te begrijpen, hebben we gebruikgemaakt van microcomputertomografie (micro-CT), scanning elektronenmicroscopie (SEM) en transmissie elektronenmicroscopie (TEM)”, aldus Dr. Dean.

“We ontdekten dat de blauwe kleur wordt geproduceerd door unieke huidcellen, met een stabiele 3D-opstelling van nanoschaalbollen die reflecterende nanokristallen bevatten (zoals parels die in een bubble tea zweven)”, zegt Amar Surapaneni, tot voor kort postdoc bij Dean’s groep en nu gasthoogleraar aan Trinity College Dublin. “Omdat de grootte van de nanostructuren en hun afstand een nuttig veelvoud zijn van de golflengte van blauw licht, hebben ze de neiging om specifiek blauwe golflengten te reflecteren.”

Interessant genoeg ontdekte het team dat de unieke ‘quasi-geordende’ opstelling van de bollen ervoor zorgde dat de kleur ongeacht de kijkhoek onveranderd bleef.

“En om alle overbodige kleuren op te ruimen, absorbeert een dikke laag melanine onder de kleurproducerende cellen alle andere kleuren, wat resulteert in een extreem helderblauwe huid,” zegt Dr. Dean. “Uiteindelijk zijn de twee celtypen een geweldige samenwerking: de structurele kleurcellen richten zich op de blauwe kleur, terwijl de melaninepigmentcellen andere golflengten onderdrukken, wat resulteert in een extreem helderblauwe huid.”

Het team denkt dat deze fascinerende blauwe kleur de pijlstaartroggen een goede camouflagefunctie biedt.

“In water dringt blauw dieper door dan welke andere kleur dan ook, waardoor dieren opgaan in hun omgeving,” zegt Dr. Dean. “Helderblauwe huidvlekken van pijlstaartroggen veranderen niet met de kijkhoek; daarom hebben ze mogelijk specifieke voordelen in camouflage als het dier zwemt of snel manoeuvreert met golvende vleugels.”

De toepassingen die momenteel voor dit onderzoek worden onderzocht, zijn onder meer bio-geïnspireerde, pigmentloze gekleurde materialen.

“We werken samen met andere onderzoekers om flexibele biomimetische, structureel gekleurde systemen te ontwikkelen die zijn geïnspireerd op de zachte aard van de huid van pijlstaartroggen. Deze systemen zijn geschikt voor veilige, chemievrije kleuren in textiel, flexibele displays, schermen en sensoren”, aldus Dr. Dean.

Naast hun werk aan pijlstaartroggen onderzoeken Dr. Kamska en haar team ook de blauwe kleur van andere roggen en haaien, waaronder de blauwe haai.

“Ondanks de naam ‘blauwe haai’ en de ecologische aspecten die goed bestudeerd zijn, weet niemand nog hoe de blauwe kleur op zijn huid ontstaat,” zegt Dr. Kamska. “Voorlopige resultaten tonen aan dat dit kleuringsmechanisme anders is dan dat van de pijlstaartrog, maar net als bij de pijlstaartrog moeten we verschillende combinaties van fijne beeldvormingstools uitproberen en meerdere verwante disciplines in optica, materiaalkunde en biologische wetenschap aanpakken.”

Er is ook een binnenkort te verschijnen artikel in Grenzen in cel- en ontwikkelingsbiologiegetiteld “Tussenliggende filamenten organiseren intracellulaire nanostructuren ruimtelijk om het heldere structurele blauw van pijlstaartroggen over de gehele ontogenie te produceren.”

Dit onderzoek wordt gepresenteerd op de Jaarlijkse conferentie van de Society for Experimental Biology in Praag van 2 t/m 5 juli 2024.