Bläckfiskar har länge varit en källa till fascination för människor, tillhandahåller legender, vidskepelse och myter. Och det är inte konstigt - deras udda utseende och konstiga intelligens, deras behärskning av det öppna havet kan inspirera dem som ser dem.

Legender åsido, bläckfiskar fortsätter att intrigera människor idag – människor som UC Santa Barbara professor Daniel Morse – för ungefär samma sak, om än mer vetenskapligt, skäl. Efter att ha utvecklats i hundratals miljoner år för att jaga, kommunicera, undvika rovdjur och para sig i det stora, ofta karaktärslösa vidder av öppet vatten, bläckfiskar har utvecklat något av det mest sofistikerade skinnet i djurriket.

"I århundraden, människor har blivit förvånade över bläckfiskarnas förmåga att ändra färg och mönster på sin hud – vilket de gör vackert – för kamoflage och undervattenskommunikation, signalerar till varandra och till andra arter att hålla sig borta, eller som attraktion för parning och andra typer av signalering, sade Morse, en framstående professor emeritus i biokemi och molekylär genetik.

Liksom deras bläckfisk-kusiner bläckfisken och bläckfisken, bläckfiskar har specialiserade pigmentfyllda celler som kallas kromatoforer som expanderar för att exponera dem för ljus, vilket resulterar i olika nyanser av pigmentfärg. Av särskilt intresse för Morse, dock, är bläckfiskarnas förmåga att skimra och flimra, reflekterar olika färger och bryter ljus över huden. Det är en effekt som tros efterlikna det fläckiga ljuset från det övre havet - den enda egenskapen i ett annars starkt havslandskap. Genom att förstå hur bläckfiskar lyckas blekna in i även de mest enkla bakgrunder – eller sticker ut – kan det vara möjligt att producera material med samma, ljusavstämningsegenskaper för en mängd olika applikationer.

Morse har arbetat för att låsa upp hemligheten med bläckfiskskinn under det senaste decenniet, och med stöd från Army Research Office och forskning publicerad i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik , han och medförfattaren Esther Taxon kommer ännu närmare att reda ut de komplexa mekanismer som ligger till grund för bläckfiskskinn.

En elegant mekanism

"Vad vi har upptäckt är att bläckfisken inte bara kan justera färgen på ljuset som reflekteras, men också dess ljusstyrka, " sade Morse. Forskning har hittills visat att vissa proteiner som kallas reflektiner var ansvariga för iriscens, men bläckfiskens förmåga att justera ljusstyrkan hos det reflekterade ljuset var fortfarande något av ett mysterium, han sa.

Tidigare forskning av Morse hade avslöjat strukturer och mekanismer genom vilka iridocyter - ljusreflekterande celler - i den opaliserande kustbläckfiskens (Doryteuthis opalescens) hud kan anta praktiskt taget alla färger i regnbågen. Det händer med cellmembranet, där det viks in i nanoskala dragspelsliknande strukturer som kallas lameller, bildar små, subvåglängd breda yttre spår.

"De där små spårstrukturerna är som de vi ser på den graverade sidan av en cd-skiva, " sa Morse. Färgen som reflekteras beror på spårets bredd, som motsvarar vissa ljusvåglängder (färger). I bläckfiskens iridocyter, dessa lameller har den extra egenskapen att de kan förändras, breddning och avsmalning av dessa spår genom handlingar av en anmärkningsvärt finjusterad "osmotisk motor" som drivs av reflektinproteiner som kondenserar eller sprids isär inuti lamellerna.

Medan materialsystem som innehåller reflektinproteiner kunde approximera de iriserande färgförändringarna som bläckfisken kunde, försök att replikera förmågan att intensifiera ljusstyrkan hos dessa reflektioner kom alltid till korta, enligt forskarna, som resonerade att något måste kopplas till reflexerna i bläckfiskskinn, förstärker deras effekt.

Att något visade sig vara själva membranet som omsluter reflexerna - lamellerna, samma strukturer som ansvarar för spåren som delar upp ljuset i dess beståndsdelar.

"Evolution har så utsökt optimerat inte bara färgjusteringen, men inställningen av ljusstyrkan med samma material, samma protein och samma mekanism, sa Morse.

Ljus i tankens hastighet

Allt börjar med en signal, en neuronal puls från bläckfiskens hjärna.

"Reflektiner är normalt mycket starkt positivt laddade, " Morse sa om de iriserande proteinerna, som, när den inte är aktiverad, ser ut som ett pärlband. Deras samma laddning betyder att de stöter bort varandra.

Men det kan förändras när en neural signal får reflektinerna att binda negativt laddade fosfatgrupper som neutraliserar den positiva laddningen. Utan att avstötningen håller proteinerna i sitt oordnade tillstånd viker de sig och attraherar varandra, ackumuleras till färre, större anhopningar i lamellerna.

Dessa aggregationer utövar osmotiskt tryck på lamellerna, ett semipermeabelt membran byggt för att motstå bara så mycket tryck som skapas av de klumpar som reflekteras innan vatten släpper ut utanför cellen.

"Vatten pressas ut ur den dragspelsliknande strukturen, och som kollapsar dragspelet så att tjockleken i avståndet mellan vecken minskar, och det är som att föra spåren på en cd-skiva närmare varandra, "Förklarade Morse. "Så ljuset som reflekteras kan skifta gradvis från rött till grönt till blått."

På samma gång, membranets kollaps koncentrerar reflektinerna, orsakar en ökning av deras brytningsindex, förstärker ljusstyrkan. osmotiskt tryck, motorn som driver dessa justeringar av optiska egenskaper, kopplar lamellerna tätt till reflektinerna i ett mycket kalibrerat förhållande som optimerar utsignalen (färg och ljusstyrka) till ingången (neural signal). Torka bort den neurala signalen och fysiken vänder, sa Morse.

"Det är en mycket smart, indirekt sätt att ändra färg och ljusstyrka genom att kontrollera det fysiska beteendet hos vad som kallas en kolligativ egenskap – det osmotiska trycket, något som inte är direkt uppenbart, men det avslöjar den invecklade evolutionsprocessen, årtusenden av mutationer och naturliga urval som har finslipat och optimerat dessa processer tillsammans."

Tunnfilmer med avstämbar ljusstyrka

Förekomsten av ett membran kan vara den avgörande länken för utvecklingen av bioinspirerade tunna filmer med den opaliserande inshore bläckfiskens opaliserande kapacitet.

"Denna upptäckt av nyckelrollen som membranet spelar för att justera ljusstyrkan hos reflektansen har spännande konsekvenser för utformningen av framtida buihybridmaterial och beläggningar med avstämbara optiska egenskaper som kan skydda soldater och deras utrustning, sa Stephanie McElhinny, en programledare vid Arméns forskningskontor, en del av U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory.

Enligt forskarna, "Detta evolutionärt finslipat, effektiv koppling av reflektin från dess osmotiska förstärkare är nära analog med den impedansanpassade kopplingen av aktivator-omvandlare-förstärkarnätverk i välkonstruerad elektronisk, magnetisk, mekaniska och akustiska system." I detta fall skulle aktivatorn vara den neuronala signalen, medan reflektinerna fungerar som omvandlare och de osmotiskt kontrollerade membranen fungerar som förstärkare.

"Utan det där membranet som omger reflexerna, det finns ingen förändring i ljusstyrkan för dessa konstgjorda tunna filmer, sade Morse, som samarbetar med ingenjörskollegor för att undersöka potentialen för en mer bläckfiskhudliknande tunnfilm. "Om vi ​​vill fånga kraften i det biologiska, vi måste inkludera någon form av membranliknande hölje för att möjliggöra reversibel inställning av ljusstyrkan."