深海、超黑鱼是如何消失的——皮肤吸收超过99.5%的光背后的科学

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超黑的太平洋黑龙(Idiacanthus antrostomus),是研究小组研究的第二黑的鱼。这些鱼有一种生物发光的诱饵,它们用来吸引猎物,如果不是因为它们的超黑皮肤和透明、抗反射的牙齿,诱饵的反射会把猎物吓跑。太平洋黑龙的眼睛下面也有发光器官,科学家们认为这些器官可能被用作探照灯来发现猎物。在7月16日出版的《当代生物学》杂志上,一个科学家团队由史密森尼国家自然历史博物馆的研究yabo124动物学家凯伦·奥斯本和杜克大学的生物学家snoke约翰森报告有一个独特的安排pigment-packed颗粒使一些鱼吸收几乎所有的光线击中他们的皮肤,所以只有0.05%的光被反射回来。信贷:
史密森西安凯伦奥斯本

超黑鱼皮以一种新的、极其有效的方式吸收超过99.5%的光,这一发现可能会推动高科技光学和伪装技术的发展。

在海洋中,阳光勉强到达的地方,史密森西的科学家和合作者团队已经发现了一个已知的最黑的材料之一:某些鱼的皮肤。这些超黑色的鱼类如此有效地吸收光线,即使在明亮的光线中也似乎是剪影,没有明显的功能。在海洋的黑暗中,甚至被生物发光光包围,它们实际上消失了。

在7月16日发行期刊上当代生物学yabo124, a team of scientists led by Smithsonian’s National Museum of Natural History research zoologist Karen Osborn and Duke University biologist Sönke Johnsen report on how a unique arrangement of pigment-packed granules enables some fish to absorb nearly all of the light that hits their skin, so that as little as 0.05% of that light is reflected back. Mimicking this strategy could help engineers develop less expensive, flexible and more durable ultra-black materials for use in optical technology, such as telescopes and cameras, and for camouflage, Osborn said.

奥斯本第一次对鱼皮感兴趣是在她和她的同事试图拍摄一些引人注目的黑鱼时,她和她的同事用拖网捕获了一些深海样品。她说,尽管有先进的设备,她还是无法捕捉到图像中的任何细节。“不管你如何设置摄像机或照明,它们都会吸收所有的光线。”

超黑鱼品种

超黑鱼类角星天牛的标本。这条鱼在被取样并记录下来后非常活跃,研究小组在被拖网捕获后的第二天通过潜艇将它放回了深海。在7月16日出版的《当代生物学》杂志上,一个科学家团队由史密森尼国家自然历史博物馆的研究yabo124动物学家凯伦·奥斯本和杜克大学的生物学家snoke约翰森报告有一个独特的安排pigment-packed颗粒使一些鱼吸收几乎所有的光线击中他们的皮肤,所以只有0.05%的光被反射回来。来源:凯伦·奥斯本,史密森尼

实验室里仔细的测量证实了为什么照相机无法捕捉到它们的特征:许多在深海中发现的黑鱼吸收了超过99.5%的照射到它们表面的光线。这意味着它们是超黑的——比黑色的纸更黑,比电子胶带更黑,比全新的轮胎更黑。而在深海,黑暗的海洋中,一个光子就足以吸引人们的注意,这种强烈的黑暗可以提高鱼类的生存几率。

因为海洋表面下阳光没有超过一百米,大多数深海的生物都是自己的光,称为生物发光。生物发光的发光用于吸引配偶,分散捕食者和吸引猎物。它们还可以揭露附近的动物 - 灌输捕食者的隐秘方法或在潜在的猎物上闪耀灯塔 - 除非这些动物有正确的伪装。“如果你想用周围环境的无限黑暗混合,吸吮每一个点击你的光子是一种很好的进展方式,”奥斯伯斯说。

超黑鱼种anoplogaster cornuta

超黑鱼类角星天牛的标本。来源:凯伦·奥斯本,史密森尼

超黑鱼对光线的几乎完全吸收依赖于黑色素,这是一种使人类皮肤变色并保护人类免受阳光伤害的色素。奥斯本和她的同事发现,这种色素不仅在超黑鱼的皮肤中丰富,而且以一种独特的方式分布。被称为黑素体的充满色素的细胞间隔紧密地堆积在色素细胞中,这些色素细胞排列在非常接近超黑鱼皮肤表面的连续层中。黑素体的大小、形状和排列方式导致它们将不能立即吸收的光线定向到细胞内邻近的黑素体,后者随后吸收剩余的光线。

奥斯本说:“实际上,他们所做的是制造了一个超高效、超薄的光阱。”“光线不会反弹;光不能通过。它只是进入这一层,然后就消失了。”

“将这些颜料的结构填充到皮肤细胞中,如微小的喷头机,所有的口香糖都是正确的尺寸和形状,以捕获机器内的光线,”该研究的共同作者亚历山大戴维斯说:“亚历山大戴维斯说杜克大学生物学博士生和博士生。yabo124

鱼不是唯一已知的动物捕获足够光以产生超黑色表面。少量鸟类和一些蝴蝶已经发现了超黑色的羽毛和鳞片,在那里它们与鲜艳的地区形成鲜明对比,使颜色看起来更加活跃。这些动物通过将一层黑色素与光捕获结构相结合而产生效果,如微小管或盒子。在资源有限的深海中,奥斯本说,超黑鱼似乎已经进化了一个更有效的系统。“这是我们唯一知道那个使用颜料本身的系统来控制任何最初未被解析的光线。”这种基于黑素体的超黑暗似乎是深海的共同战略:奥斯本和她的团队在16种遥远相关的鱼中发现了与16种的不同颜料模式。

采用这种有效的设计策略可以改善超黑色材料的制造,目前使用架构更像是超黑鸟类和蝴蝶中所发现的建筑。寻求敏感光学设备的这种材料目前既极其细腻,生产昂贵。“而不是建造某种捕捉光的结构,如果你要使吸收颜料正确的尺寸和形状,你可以达到相同的吸收,可能会更便宜,[使材料]不那么脆弱,”她说。

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参考:“深海鱼类的超黑伪装”Byalexander L. Davis,Kate N. Thomas,Freya E.Goetz,Bruce H. Robison,SönkeJohnsen和Karen J. Osborn,7月16日2020年7月16日,当代生物学yabo124
DOI: 10.1016 / j.cub.2020.06.044

史密森尼,杜克大学,国家海洋和大气管理和国防部的国防科学和工程研究生奖学金提供了对本研究的资金和支持。

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