دانشمندان پس از بررسی های دوبعدی، با تكيه به دستگاه ها و روش های پيشرفته و امروزی موفق به تشخيص دقيق ساختار سلول ها در بال پروانه شده اند و در كمال شگفتی علت رنگی بودن بال های پروانه را وابسته به شكل هندسی اين سلول ها دانسته اند. در اين مقاله سازوكار توليد رنگ توسط اين سلول ها مورد بحث قرار می گيرد.

دانشمندان پس از بررسی های دوبعدی، با تكيه به دستگاه ها و روش های پيشرفته و امروزی موفق به تشخيص دقيق ساختار سلول ها در بال پروانه شده اند و در كمال شگفتی علت رنگی بودن بال های پروانه را وابسته به شكل هندسی اين سلول ها دانسته اند. در اين مقاله سازوكار توليد رنگ توسط اين سلول ها مورد بحث قرار می گيرد.

نگاه جست وجو گر انسان همواره در طراحی روند تكاملی حياتش، طبيعت را الهام بخش خود قرار داده است. طبيعت نيز در گذر زمان همواره شگفتی هايی را كه از خلقت در آستين داشته، در برابر ديدگان كنجكاو بشر به نمايش گذاشته است.

پروانه ها را می توان نمونه شاهكارهايی بی مانند از اين دست دانست كه بی ترديد با نمايش زيبايی های خود و افسونگری در دامن طبيعت، ذهن پرسشگر بشر را به خود جلب كرده اند كه: اين تنوع رنگ و تلفيق طرح های گوناگون در بال اين موجود از كجا ناشی می شود و سازوكار نهفته در اين آفريننده چيست؟

اين رازی بود كه طبيعت آن را ميليون ها سال در نهاد خود پنهان میكرد اما هم اكنون با تكيه به ابزارهای پيشرفته امكان پرده برداری از آن توسط پژوهشگران ممكن شده است.

نزديك ترين راه برای رمزگشايی از اين شاهكار اين است كه به سادگی بپذيريم كه رنگدانه ها مسئول چنين اثری بوده اند. اما در كمال شگفتی بايد گفت كه هيچ رنگدانه ای در بال پروانه ها وجود ندارد. اين طرح ها و رنگ های خيره كننده تنها و تنها، از داربستی نتيجه می شود كه سلول های بال پروانه در آن جای گرفته اند.

به طور خلاصه بايد گفت شكل هندسی اين سلول ها و چگونگی رفتار آن ها در برابر نور، چنين فريبندگی ای را به صاحبانش بخشيده است.

از ديرباز پژوهشگران، علاقه مند به كشف ساختار سلولی بال پروانه بوده اند اما از آنجا كه در اين زمينه آن ها تنها به تصويرهای دوبعدی حاصل از ميكروسكوپ الكترونی دسترسی داشتند، از درك واقعی اين ساختارهای سه بعدی ناتوان بودند. هم اكنون به كمك روش هايی كارآمد همچون پراش پرتوهای X  با زاويه كوچك، مشخص شده است كه توليد رنگ در بال پروانه از برهمكنش های فيزيكی نور با مواد زيستی موجود در بال پروانه ناشی میشود. اين مواد زيستی بلورهای نوری يا ريزساختارهای سه بعدی پيچيد های هستند كه جهتگيری های متفاوت آن ها در برابر نور به توليد رنگ های گوناگون می انجامد.

دانشمندان برای اين سلول ها نام ژيروييد را برگزيده اند؛ ريزساختارهايی كه نور خورشيد را همچون يك بلور پراكنده میكنند و عملكرد انتخابی و متنوع آن ها رنگ های متفاوتی می آفريند.

ژيروييد چيست؟

ژيروييد شكلی شبيه يك بومرنگ است. اين نام برگرفته از واژه gyrating به معنی مارپيچی يا چرخشی است. در سال 1970 ، دانشمندی به نام آل ناچ.شوئن اين شكل را به عنوان يكی از گروه های فضايی معرفی كرد.

ژيروييد در بدن پروانه، مركب از سه استخوان پهن است كه در راستاهای مختلف، جهت گرفته اند؛ درست مانند يك بادبزن يا فرفره. كوچكترين حركت در بال پروانه در جهتگيری ژيروييدها و درنتيجه، در عملكرد آن ها در برابر نور تغيير ايجاد میكند. ساختار ژيروييد باعث میشود كه همه طول موج های نور از بال عبور كند بجز يكی، كه بازتابش می يابد. آ نچه رنگ نور را كنترل میكند اندازه ژيروييد است. هرچه ژيروييد كوچكتر باشد رنگ مشاهده شده در بال، به آبی نزديكتر است وگرنه، بال بيشتر به رنگ های نزديك به سرخ ديده میشود. پس، تغيير اندازه اين ريزساختارهای زيستی است كه به بال پروانه رنگ های مختلف میدهد.

سازوكار توليد رنگ

بلورهای سه بعدی زيست شناختی شامل شبكه ای پيچيده از كيتين كوتيكولی اند كه همراه با هوا توليد رنگ در بال پروانه را به عهده دارند.

سطح پشتی بال پروانه شبكه ای از شيارهای بلند و موازی را دربردارد كه با بافت عرضی به هم متصلند و شكلی شبيه يك پنجره، درون سلول بال ايجاد كرده اند. بلورهای نوری يا به صورت بلورهای ناپيوسته، يا تكه های تك از ميدان های بلوری نوری جوش خورده درون بال قرار دارند و جهت گيری آن ها در برابر نور عامل اصلی توليد رنگ های متفاوت در پروانه هاست.

تشكيل ريزساختارها

بنابه تصويرهای به دست آمده از روش فرافرستی ميكروسكوپ الكترونی TEM ريزساختارها در جريان برهمكنشی درونی ميان غشاء پلاسمايی سلول ، با غشاء انِدوپلاسمی بسيار نازك و ظريف درونی يك جفت غشاء چربی دو لايه تشكيل میدهند كه دو لايه آن به طور موازی با يكديگر قرار دارند و سيتوپلاسم سلولی، ميان آن ها فاصله می اندازد.

مقطع عرضی تصوير TEM اين فرايند را نشان میدهد ، درحالیكه بافت مشخصی از دو دايره هم مركز در يك شبكه مثلثی مشاهده میشود. بخش های سايه روشن، ناحيه های متفاوت را در صفحه يك ژيروييد دوتايی شامل هسته لايه نشان میدهد كه بصورت ABCB΄A΄ نشان داده شده است كه در آن A فضای بيرون سلولی، B  غشای پلاسمايی، C توده سيتوپلاسمی، B΄ غشای نازك انِدوپلاسمی و A΄ فضای درون سلولی است.

روش SER ظرفيت فيزيكی غشاء چربی دولايه و اندامك های سلولی ديگر را در خودسازی ساختارهای زيست شناختی به روشنی نشان داده است. اين غشاء مقدار پروتيين مورد نياز را تنظيم كرده، در ادامه، برهمكنش های الكترواستاتيكی تشكيل غشاء را همراهی میكنند.

سامانه ژيروييد ABCB΄A΄ در بال پروانه بی شباهت به يك هم بسپار (كوپلی مر) سه جزيی نيست چنان كه اجزاء آن را دو غشاء چربی B و B΄  (در دو سو)، و غشاء سيتوپلاسمی C (در ميان دو غشاء) تشكيل می دهد و بنابراين ساختاری فشرده دارد. پس از تشكيل اين غشاء دولايه در فضای بيرون سلولی، پلی ساكاريدی به نام كيتين رسوب می كند و در سراسر محيط خارجی سلول، پلی مر تشكيل می دهد.

تعيين گروه فضايی بلورها

از دهه 1970 ، پيچيدگی بلوری سلول های موجود در بال پروانه ها مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. چنا نكه اشاره شد در بيشتر بررسی ها برای تعيين ريزساختارهای سه بعدی از ميكروسكوپ الكترونی دوبعدی استفاده میشد كه برای اين كار مناسب نبود. از اين رو، ساختار بلورها به طور متفاوت به صورت مكعب ساده، مكعب وجوه مركزدار و وجوه مركزدار كدر وارونه در نظر گرفته میشد كه حباب های هوا در شكل گوی هايی درون كيتين آرايش يافته بود. اساس كار چنين بود كه الگوی پراش پرتوهای X از چنين بلورهايی با آنچه كه از بال پروانه به دست آمده بود مقايسه میشد. در بررسی های كنونی، مدل های رايانه ای با ساختار مكعبی يا الماس، سازگاری خوبی با پراش حاصل از سلول های مربوط به بال 5 نوع پروانه نشان داده است و در ادامه، وجود شبكه های سه گوش و چهارگوش با كانال های دايره ای هوا، تقارن مكعبی را برای ريزساختار ژيروييد مورد تأييد قرار میدهد.

اين مشاهده ها، گروه فضايی ژيروييد تك را برای ريزساختارهای بلوری نوری در پروانه ثابت كرده است. در 5 نمونه پروانه مورد بررسی، بافت هايی مشاهده شد كه مشخصه صفحه های ويژه در گروه فضايی ژيروييد تك است و نه الماس.

نتيجه گيری

بررسی ساختار و عملكرد شبكه ژيروييد به عنوان اجزاء سازنده در بال پروانه و آگاهی از برهمكنش های ميان نور و ريزساختارها در اين موجود میتواند در طراحی و ساخت ابزارهای نوری سودمند باشد؛ ابزارهايی كه از سازوكارهای فيزيكی مشابهی برای توليد نور بهره برداری میكنند. پس از ميليون ها سال اكنون گزينش پذيری و عملكرد نوری بلورهای نوری در پروانه ها الهام بخش فناوری شبيه سازی زيستی قرار گرفته است. درواقع، خواص نوری موجود در ريزساختارها گاه میتواند بر راهكارهای مهندسی شده پيشی گيرد.

بجز پروانه ها، سنجاقك ها و بيدها نيز از روش های پيچيده برای دست كاری و تغيير نور استفاده می كنند كه دانشمندان اكنون در آغاز راه بررسی آن ها هستند.

منبع:رشد