Конкурс «био/мол/текст»-2013

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2013 в номинации «Своя работа».

---

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.

Насекомых начали изучать довольно давно, поэтому о них очень многое известно: особенности развития, среда обитания, строение и многое другое. Но можем ли мы сказать, что знаем о них все? Определенно нет! Даже в их строении, где, казалось бы, все детально описано предыдущими поколениями натуралистов, часто обнаруживаются весьма любопытные вещи. В данном случае речь пойдет о функциональных особенностях строения поверхности, которые членистоногие начали использовать за многие тысячи лет до появления человека. Именно то, что сейчас люди только начинают осваивать и называют инновационными достижениями. Но обо всем по порядку...

Блики на лице

Первые несколько веков становления энтомологии описание внешнего вида насекомых делали «на глаз». И если поначалу приходилось довольствоваться только остротой своего собственного зрения, то после изобретения микроскопа задача классификации значительно упростилась. Были детально описаны жилки на поверхности перепончатого крыла, разъяснено устройство фасеточного (сложного) глаза и его структурной единицы — омматидия (простого глаза) (рис. 1а—д). С увеличением числа исследованных видов неизвестных структур становилось все меньше и меньше, и все свидетельствовало о том, что предела разрешения оптической микроскопии вполне достаточно для точного описания таких объектов.

После изобретения в 30-х годах ХХ века электронной микроскопии у ученых появилась возможность изучать гораздо более мелкие объекты. В 60-е годы был опубликован ряд статей, в которых впервые заговорили о том, что помимо микроструктуры (от сотен до тысяч фасеток на поверхности сложного глаза) насекомые обладают также наноструктурой — большим числом маленьких бугорков на поверхности роговичной линзы отдельного омматидия [1]. И если размер фасетки в среднем составлял около 20 мкм, то поперечный размер обнаруженных бугорков (nipples, англ. «сосочки») составил около 200 нм (рис. 1в—г).

В те годы было исследовано большое количество видов — преимущественно бабочек и мотыльков — и определены различия в высоте наноструктур на поверхности роговичной линзы насекомых, которая может варьировать от 0 (полное отсутствие выраженной структуры) до четверти микрона (самые длинные). Ученые показали, что наличие наноструктур такого рода способствует лучшему поглощению света, а это позволяет насекомому лучше видеть. Безусловно, хорошее зрение важно практически для всех видов, но совершенно особую роль оно играет для ночных и летающих насекомых, для которых точная ориентация в пространстве жизненна необходима. Поэтому неудивительно, что глаза большей части бабочек и мотыльков «оборудованы» нанобугорками [2].

Что же делает глаза с нанобугорками более эффективными? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к одной важной задаче просветления оптики: задаче создания небликующей (хорошо поглощающей свет) поверхности [3]. Такие поверхности используются, например, в фото- и видеотехнике. Наиболее простое решение — нанести на линзу тонкую (обычно четверть длины волны) пленку с показателем преломления определенной величины n₂ (рис. 1е). В такой пленке волны, отраженные от верхнего и нижнего слоя, интерферируют друг с другом и взаимно гасятся. Это позволяет увеличить светопропускание оптической системы за счет уменьшения доли отраженного света, что важно, например, для получения более качественных снимков или удаления бликов с монитора.

При этом изготовление высококачественных просветляющих пленок не такая уж простая задача. Длины волн видимого света находятся в диапазоне от 400 до 750 нм, поэтому для достижения наилучшего эффекта требуются многослойные пленки. Наиболее выигрышный подход заключается в использовании неоднородной пленки, в которой показатель преломления n₂(x) не постоянен, а изменяется по градиенту: от показателя преломления среды n₀ в верхнем слое до показателя преломления линзы в нижнем слое n₁ (рис. 1ж). Так можно добиться равномерного поглощения всех длин волн в оптическом диапазоне.

Насекомые справились с этой задачей по-своему — они хорошо видят, потому что смогли изменить геометрию поверхности своего глаза (рис. 1з). При этом слой из нанобугорков, если его толщина меньше длины волны падающего света, ведет себя как пленка с изменяющимся показателем преломления. Все просто!

Так насекомые продемонстрировали человеку нанотехнологию, которую можно повсеместно применять во многих сферах человеческой деятельности. Самое привлекательное в ней то, что для создания аналогичных антибликовых покрытий не нужно подбирать материалы с какими-то исключительными свойствами. Главное повторить геометрию такой поверхности, а это можно сделать довольно точно, используя изученную структуру как шаблон. Наноструктурированные поверхности глаз насекомых уже сейчас могут быть использованы для изготовления ячеек солнечных батарей , что сразу позволит увеличить поглощение солнечной энергии без активного поиска каких-либо новых материалов — требуется лишь задать нужные параметры производства.

Возможно, этот принцип совместим с получением электроэнергии на основе «биологических» солнечных элементов: «Биофотовольтаика. По-настоящему зелёная энергия» [4]. — Ред.

Про мутантов

С 2009 года начались детальные исследования наноструктур глаз насекомых в Пущинском научном центре РАН совместно с Университетом Лозанны (Швейцария). Среди первых работ, опубликованных данным коллективом, стало систематическое исследование глаз плодовой мушки Drosophila melanogaster [5]. Дрозофила является хорошо изученным модельным организмом — ее геном полностью секвенирован и описано большое число генетических мутаций. Идеальный объект для исследований!

При помощи методов атомно-силовой микроскопии были определены и охарактеризованы поверхности омматидиев дикого типа Drosophila melanogaster. Здесь ученых ждало несколько неожиданных открытий! Так, многие годы считалось, что нанобугорки на поверхности омматидия имеют плотную гексагональную упаковку. Однако в ходе многочисленных исследований глаз дикого типа Drosophila melanogaster выяснилось, что глаза простой плодовой мушки, вопреки устоявшемуся в научном сообществе мнению, обладают необычной разупорядоченной наноструктурой (рис. 2в). При этом упаковка омматидиев остается гексагональной (рис. 2а, б). Таким образом, наноструктура мухи в некотором смысле случайна, в то время как макроструктура строго упорядочена.

Концепция и разновидности атомно-силовой микроскопии рассмотрены в превосходной статье «Атомно-силовая микроскопия: увидеть, прикоснувшись» [6]. — Ред.

Нанобугорки на поверхности фасетки дрозофилы обладают небольшими размерами — порядка 30 нм в высоту (по сравнению с чешуекрылыми, у которых высота может быть больше 200 нм). Расстояние между соседними нанобугорками не отличалось от среднего значения расстояний для других насекомых и составило примерно 200 нм. Как уже было сказано выше, такие размеры обеспечивают эффект просветляющего покрытия.

Разобравшись с особенностями структуры поверхности глаза простой плодовой мушки, исследователи провели анализ влияния хорошо описанных мутаций на морфологию поверхности глаза. Для этого были рассмотрены поверхности глаз двух мутантных линий Drosophila melanogaster с фенотипами Frizzled (от англ. «завитой, взъерошенный») и Glazed (от англ. «глянцевый»).

У мутантов с фенотипом Frizzled в целом нарушена плоскостная ориентация клеток (planar cell polarity), что приводит к неправильному развитию покровов насекомого. Плоскостная ориентация клеток «указывает» каждой клетке организма, как ей расти в зависимости от её расположения; нарушение данного процесса имеет глобальный отклик, вызывая необратимые изменения во всех тканях особи. Глаза такой мухи — печально зрелище! В отличие от здоровой особи, глаз мутанта с фенотипом Frizzled характеризуется как «рыхлый глаз» (это официальный термин!) с сильно нарушенной строгой гексагональной упаковкой омматидиев (рис. 2г—д). Атомно-силовая микроскопия помогла обнаружить последствия мутации и основную причину нарушения упаковки омматидиев — между фасетками оказались посторонние включения материала линзы, которых в норме там не должно быть.

Мухи-мутанты с фенотипом Glazed интересны по другой причине: их глаза имеют меньший размер по сравнению с диким типом и значительно сильнее отражают свет (поверхность начинает больше «бликовать»). Проанализировав наноструктуру их глаз, ученые пришли к выводу, что усиление отражения света возникает из-за уменьшения высоты нанобугорков (рис. 2ж—з). Так было получено экспериментальное подтверждение влияния высоты наноструктуры на отражательную способность глаза у одного и того же насекомого. Кстати, здесь следует упомянуть, что антибликовая функция фасеточного покрытия насекомых может играть еще одну важную роль — снижение заметности. Как показывают расчеты, выигрыш в поглощении света, а значит и остроте зрения, обычно составляет всего несколько процентов, в то время как уменьшение блеска глаз может отличаться в несколько раз! Как следствие, насекомое становиться менее приметным, что явно способствует его выживаемости: хищники могут ближе подбираться к жертве, а жертвы — лучше прятаться.

При исследовании ещё нескольких мутантных линий плодовой мушки были определены ключевые белки, формирующие роговичную линзу омматидиев [7]. Генетические манипуляции с использованием РНК-интерференции позволили определить степень и характер влияния каждого из белков на строение простого глаза мухи и позволили сделать заключение о том, что посредством введения таких белков в систему можно направленно управлять структурой фасеток, создавая нужный фенотип. Так, например, введя мухе гомологичные белки пчелы, мы можем получить особь с «пчелиными» глазами. Что только с этим делать и как использовать на практике — пока не ясно...

Наш ответ — биомиметика

Поскольку большую часть идей, касающихся структурированной поверхности, человек почерпнул из природы, следует признать — наблюдение за разнообразием окружающего мира может дать очень многое. Сформировалось даже целое научное направление — биомиметика, использующая идеи живой природы для решения насущных технологических задач. История науки знает немало примеров, когда непонятное на первый взгляд эволюционное приспособление оказывалось гениальным изобретением. Вернемся немного назад во времени и проследим за одним открытием.

В 70-е годы ХХ века ученым удалось объяснить механизм эффективного отталкивания воды листьями лотоса, который, как думали до этого, обеспечивается «воскоподобным» покрытием или идеально гладкой поверхностью. Листья этого растения невозможно смочить водой, и причина тому — не химические особенности покрытия листьев, а особая морфология поверхности. В дальнейшем такую несмачиваемость поверхности водой назвали супергидрофобностью [8], [9]. Механизм этого явления прост: листья лотоса покрыты большим количеством плотно посаженных бугорков, при попадании воды на которые капли могут касаться только верхушек нанобугорков, а стечь ниже им не позволяет сила натяжения жидкости. Водяные капли имеют слишком малую площадь соприкосновения с поверхностью и, долго не задерживаясь, стекают с поверхности при малейшем наклоне. Однако важно различать гидрофобный эффект вещества на молекулярном уровне (химический) и гидрофобный эффект, вызываемый специфической геометрией поверхности — это совершенно разные вещи (хотя они и могут использоваться совместно)!

Каковы же размеры этих гидрофобных бугорков? Недавние исследования показали, что в общем случае для обеспечения подобного механизма требуемые размеры структуры составляют от десятков (как у листа лотоса) до долей микрона [10]. Размеры нанобугорков глаз насекомых располагаются около нижней границы этих значений (рис. 3).

Немногим позднее был описан противоположный эффект, названный «эффектом лепестков розы» — он заключается в повышенной гидрофильности поверхности (вода к ней очень «любит» прилипать) [11]. И вновь гидрофильность обеспечивается именно геометрией, а не химическим составом! Самое интересное в этих двух качественно противоположных эффектах заключается в том, что для одного и того же вещества свойства поверхности можно с легкостью изменять от гидрофильных до гидрофобных. И все это за счет простых бугорков!

Насекомые значительно продвинулись в создании сложных структур. При этом все богатство функций, которые они демонстрируют, не ограничивается антибликовыми и гидрофобными свойствами: исследования в этом направлении также показали возможность антибактериальной функции крыльев цикад [12] и удивительного явления — структурной окраски бабочек (рис. 4) [13], [14]. Хочется верить, что исследования в этой области таят еще немало сюрпризов.

В завершение стоит сказать, что наноструктуры, которыми усердно пытается овладеть и человек, могут скрывать еще не описанные к настоящему моменту свойства. Возможно, описав их многообразие и изучив физические характеристики, мы сможем из любого подручного вещества создавать материалы с необходимыми нам качествами и управлять их поведением по нашему желанию. Природа таит в себе множество уникальных, элегантных и остроумных решений, возникших за миллиарды лет эволюции живого. Возникших и успешно используемых. Человеку стоит находить, удивляться, изучать и повторять обнаруженные нанотехнологии, используя весь арсенал доступных ему методов — генетические манипуляции, физические методы и математическое моделирование.

Литература

1. C. G. Bernhard, William H. Miller. (1962). A Corneal Nipple Pattern in Insect Compound Eyes. Acta Physiologica Scandinavica. 56, 385-386;
2. D.G Stavenga, S Foletti, G Palasantzas, K Arikawa. (2006). Light on the moth-eye corneal nipple array of butterflies. Proc. R. Soc. B. 273, 661-667;
3. Wikipedia: Anti-reflective coating;
4. Биофотовольтаика. По-настоящему зелёная энергия;
5. Michail Kryuchkov, Vladimir L. Katanaev, Gennadiy A. Enin, Anton Sergeev, Alexander A. Timchenko, Igor N. Serdyuk. (2011). Analysis of Micro- and Nano-Structures of the Corneal Surface of Drosophila and Its Mutants by Atomic Force Microscopy and Optical Diffraction. PLoS ONE. 6, e22237;
6. Атомно-силовая микроскопия: увидеть, прикоснувшись;
7. Енин Г.А., Катанаев В.Л., Крючков М.В., Озерова А.Н., Сергеев А.В., Тимченко А.А. (2012). Поиск и изучение новых наноструктурных покрытий на поверхности глаз различных насекомых. «Тезисы Четвертой региональной конференции “Молодежные научно-инновационные проекты Московской области”». 44–45;
8. Forbes P. (2008). Self-cleaning materials: lotus leaf-inspired nanotechnology. Scientific American. 299, 88–95;
9. Физическая водобоязнь;
10. Thor Christian Hobæk, Kristian Greger Leinan, Hans Petter Leinaas, Christian Thaulow. (2011). Surface Nanoengineering Inspired by Evolution. BioNanoSci.. 1, 63-77;
11. Wikipedia: Wetting;
12. Elena P. Ivanova, Jafar Hasan, Hayden K. Webb, Vi Khanh Truong, Gregory S. Watson, et. al.. (2012). Natural Bactericidal Surfaces: Mechanical Rupture of Pseudomonas aeruginosa Cells by Cicada Wings. Small. 8, 2489-2494;
13. Элементы: «Структурная окраска»;
14. Pete Vukusic, J. Roy Sambles. (2003). Photonic structures in biology. Nature. 424, 852-855.