深海世界：這些深海魚可吸收超過99.5%的光線


圖示為超黑魚類之一（Anoplogaster cornuta）。這條魚在被取樣并記錄后非常活躍，因此研究團隊在用拖網(wǎng)捕獲它的第二天通過潛水艇把它放回了深海。在《當代生物學(xué)》雜志上，由史密森尼國家自然歷史博物館的研究動物學(xué)家Karen Osborn和杜克大學(xué)的生物學(xué)家S?nke Johnsen領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊報告，某些魚的皮膚上，包裹色素的顆粒有一種獨特的排列方式，幾乎能吸收所有照射在上面的光線，僅 0.05% 的光會被反射。圖片來源：Karen Osborn，史密森尼學(xué)會
在陽光難以照射到的海洋深處，史密森尼國家自然歷史博物館（Smithsonian's National Museum of Natural History）的科學(xué)家和合作團隊發(fā)現(xiàn)了目前已知的最黑物質(zhì)之一：某些魚的皮膚。這些超黑魚吸收光線的效率極高，即使在明亮的光線下，它們看起來也像沒有明顯特征的輪廓。在黑暗的深海中，它們即使被生物熒光包圍也能隱身。
在《當代生物學(xué)》（Current Biology）雜志上，由史密森尼國家自然歷史博物館的研究動物學(xué)家Karen Osborn和杜克大學(xué)（Duke University）的生物學(xué)家S?nke Johnsen領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團隊報告，這些魚的皮膚上，包裹色素的顆粒以一種獨特方式排列，幾乎能吸收所有照射在上面的光線，僅 0.05% 的光會被反射。Osborn說，模仿這種策略可以幫助工程師開發(fā)更便宜、更柔韌、更耐用的超黑材料用于光學(xué)技術(shù)，例如望遠鏡、照相機和偽裝。
Osborn第一次對魚的皮膚產(chǎn)生興趣，是在某一次和同事用拖網(wǎng)在深海取樣時。當時她試圖用相機拍攝拖網(wǎng)捕獲的一些引人注目的黑魚。她說，盡管有精細的設(shè)備，她還是無法捕捉到任何細節(jié)?！安还苣阍趺丛O(shè)置相機或燈光，它們都會吸收所有光線?！?br> 他們在實驗室里仔細測量，證實了相機無法捕捉這些魚特征的原因：深海中發(fā)現(xiàn)的許多黑魚能吸收超過99.5%照射到體表的光。這意味著它們是超黑的，比黑紙黑，比電工膠帶黑，比新輪胎都黑。在深海中，單個光子就足以吸引注意力，因此這種濃郁的黑色可以提高魚的生存幾率。
由于陽光最多只能照射到海洋表面下幾百米的深處，所以大多數(shù)深海生物自己發(fā)光，這被稱為生物發(fā)光。生物發(fā)光可以用來吸引配偶、干擾捕食者和引誘獵物。它們還能暴露附近的動物，阻止捕食者悄悄接近，或照亮潛在的獵物，除非別的動物有正確的偽裝。Osborn說：“如果你想融入周圍無限黑暗的環(huán)境，吸收每一個擊中你的光子是個很好的方法。”


圖片來源：pixabay
超黑魚能幾乎完全吸收光線，這依賴于黑色素。這種色素同樣存在于人類皮膚中，并保護皮膚免受陽光傷害。Osborn和同事發(fā)現(xiàn)，黑色素不僅在超黑魚的皮膚中大量存在，而且以一種獨特的方式分布。充滿色素的亞細胞結(jié)構(gòu)被稱為黑素體，它們緊密地聚集在色素細胞中，而這些色素細胞連續(xù)地排列在貼近超黑魚皮膚表面的地方。黑素體的尺寸、形狀和排列方式使它們能夠?qū)o法立即吸收的光線導(dǎo)向細胞內(nèi)鄰近的黑素體，然后由這些黑素體吸收剩余的光線。
Osborn說：“實際上，它們相當于制造了一種超高效、超薄的光阱。光線不會反射，也不能通過。光線只是進入了這一層，然后就消失了?！?br>

圖片來源：pixabay
這項研究的共同作者之一、杜克大學(xué)的生物學(xué)博士生Alexander Davis說：“這些含有色素的結(jié)構(gòu)就像個迷你口香糖機一樣，被打包到皮膚細胞里，而所有的口香糖都有合適的尺寸和形狀，能夠?qū)⒐饫г跈C器內(nèi)?！?br> 魚類并不是已知的唯一一種能捕獲足夠光線從而產(chǎn)生超黑表面的動物。目前已經(jīng)在一些鳥類和蝴蝶身上發(fā)現(xiàn)了超黑的羽毛和鱗片，它們與色彩明亮的區(qū)域形成對比，使顏色顯得更加鮮艷。這些動物通過將一層黑色素與微小的管子或盒子之類的光捕獲結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起來產(chǎn)生這種效果。Osborn 說，在資源有限的深海中，超黑魚似乎進化出了一種更高效的系統(tǒng)。“這是我們所知的唯一一種利用色素本身來控制所有最初未被吸收的光的系統(tǒng)。”這種基于黑素體的超黑結(jié)構(gòu)似乎是深海中的常見策略：Osborn和她的團隊在16種親緣關(guān)系較遠的魚類身上發(fā)現(xiàn)了同樣的特殊色素排列模式。
Osborn說，采用這種高效的設(shè)計策略可以改善超黑材料的制造，目前這類材料的結(jié)構(gòu)更接近在超黑的鳥和蝴蝶身上發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。這種敏感光學(xué)設(shè)備所需要的材料，目前生產(chǎn)起來極其精細，成本也很高?！昂徒ㄔ炷撤N結(jié)構(gòu)來捕獲光線相比，把吸收光的色素做成合適的尺寸和形狀也能實現(xiàn)同樣的吸收效率，而且成本可能會低得多，材料也不會那么脆弱，”她說。
翻譯：頁一
審校：戚譯引
引進來源：史密森尼國家自然歷史博物館
引進鏈接：https://eurekalert.org/emb_releases/2020-07/s-sdh070920.php
本文來自：環(huán)球科學(xué)


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