扇贝的眼睛与巨型望远镜相仿
这是一种名为“大海扇蛤”(Pecten maximus)的扇贝,它的眼睛依附在其外壳上的外套膜组织触角上。图片来源:瑞典隆德大学Dan-Eric Nilsson。
来自以色列和瑞典的一个研究小组深入研究了这种不寻常扇贝的视觉世界,并发现了一些惊人的结果。科学家们利用冷冻电子显微镜等多种成像技术,揭示了这些能够运动多达200只眼睛的海洋双壳类的视觉系统依赖于微米级多层反射镜阵列,这与反射望远镜的分段结构有着惊人的相似性。该研究小组认为,从对扇贝研究工作中获得的发现可以开发出新型生物激发光学成像和传感方法。
反射视觉系统
几个世纪以来,大海扇蛤和其他几种海洋无脊椎动物一样,都有一个使用反射式而不是透镜式的视觉系统。在20世纪60年代,英国神经科学家Michael Land提出了该系统如何工作的基础知识:每个有机体拥有近200只眼睛,直径大约1mm,包括一个位于眼睛后部的微小凹面镜,照射到位于镜子上方的视网膜上。
Land推测镜子是由鸟嘌呤晶体形成的,是DNA中四种核苷酸碱基之一。但他无法确认镜子的组成和结构,因为它们的精细结构不能满足透射式电子显微镜所需的样品制备条件,这是当时唯一一种能进行观察的方法。
复杂的世界
由来自以色列魏茨曼科学研究学院和瑞典隆德大学的科学家组成的研究小组利用低温扫描电子显微镜(cryo-SEM)克服了这一障碍。在该技术中,要研究的组织被快速冷冻,并因此一些用传统电子显微镜观察需要脱水制备时会丢失的结构就能够被保留下来。
低温扫描电子显微镜揭开了扇贝众多微小眼睛后面演变的复杂世界。远不是一面简单的镜子,眼睛后面的反射器是由数百个微米尺度的多层反射鸟嘌呤晶体组成的平铺分段阵列,类似于现代巨型反射望远镜用来捕捉远处光线的分段阵列。
探究光学细节
扇贝眼睛的光学细节是如何演变的同样值得关注。形成微小反射镜的鸟嘌呤(称为β-鸟嘌呤)生长成方形晶体形态,不同于更传统的棱形晶体形式,这使得它能够在镜面上呈现具有最高折射率的晶面,“创造出一个拥有高反射率的表面”。正方形的形态也使得晶体能够有效地以“几乎以完美形状镶嵌的马赛克”的方式平铺,从而将会引起光学像差和损耗的边缘缺陷最小化。
研究小组利用层状晶体的数据及其结构创建了一个模拟的反射光谱,在500nm左右的蓝绿色区域显示出明显的峰值。目前科学家们已经达到了目标,通过辐射光谱的峰值找到了扇贝的栖息地,这是有机体视网膜最有效的处理。研究人员使用X射线微型计算机断层摄影术详细地确定了镜子的三维形状,然后进行了射线追踪模拟,结果显示镜子的焦点变化到视网膜的不同部分时拥有不同的入射角。这使得扇贝的大脑能够管理来自生物体中央和周边的视野。
开发新型仿生光学元件
大海扇蛤的眼睛是壳开口处的触手中的黑点。图片来源:Ceri Jones,Haven Diving Services。
对于如何解释扇贝有多达200个这样复杂的眼睛,排列在沿着有机体壳开口组织的触角之中,研究人员认为,双壳类生物的神经处理设备可以将广泛分散的个体眼睛,根据入射角度不同将不同质量的图片输入进行整合,使整体画面更加锐利,景深更好。
这是一种与人类所遗传的视觉系统截然不同的视觉特征,科学家相信它可能具有很高的实际价值。该研究小组在研究中了解到扇贝的复杂视觉策略,“为从这种不寻常形式的生物光学衍生而来的紧凑、宽视野成像设备的发展提供了灵感”。
来源: https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2017/december/scallops_eyes_resemble_giant_telescopes/
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