蓝鲨闪烁着自然界最稀有的颜色之一，但它们的光芒不仅仅是为了炫耀，其齿状的鳞片中含有鸟嘌呤小板和黑色素囊泡，共同作用后呈现出鲜艳的蓝色。此外，这些纳米结构实际上可能会根据水压等环境条件发生变化，这或许能让鲨鱼在海洋中游动时，身体颜色发生微妙的变化。
蓝鲨的荧光源自隐藏的纳米晶体——同样的结构或许能让它们在压力或深度的作用下微妙地改变颜色。图片来源：Shutterstock
一项关于蓝鲨（Prionace glauca）的新研究发现了其皮肤内复杂的纳米结构，这种结构不仅产生了鲨鱼标志性的蓝色色调，还可以导致颜色发生微妙的变化。
香港城市大学梅森·迪恩教授实验室的博士后研究员维多利亚·卡姆斯卡博士说：“蓝色是动物界最稀有的颜色之一，动物通过进化开发出各种独特的策略来产生蓝色，这使得这些过程特别令人着迷。”
研究人员发现，这种鲜艳的蓝色源于真皮齿髓腔内的结构——真皮齿髓腔是微小的、类似牙齿的鳞片，在鲨鱼皮肤上形成一层保护层。这些腔内含有鸟嘌呤晶体，可以反射蓝光；以及充满黑色素的囊泡，称为黑素体，可以吸收其他波长的光。
“这些成分被包装在独立的细胞中，就像装满镜子的袋子和装满黑色吸收剂的袋子一样，但它们之间保持着紧密的联系，以便协同工作，”卡姆斯卡博士解释道。因此，色素（黑色素）与结构化物质（特定厚度和间距的鸟嘌呤小板）协同作用，增强了色彩饱和度。
蓝鲨真皮细齿。图片来源：Viktoriia Kamska 博士
“当将这些材料结合在一起时，还能创造出强大的产生和改变颜色的能力，”迪恩教授说道。“令人着迷的是，我们可以观察到含有晶体的细胞中微小的变化，并观察和模拟它们如何影响整个生物体的颜色。”
这项解剖学突破得益于精细解剖、光学显微镜、电子显微镜、光谱学以及一系列其他成像技术的结合，这些技术能够表征产生颜色的纳米结构的形式、功能和结构排列。“我们最初是在生物体层面，以米和厘米为单位来研究颜色，但结构色是在纳米尺度上实现的，因此我们必须采用一系列不同的方法，”迪恩教授说道。
识别鲨鱼蓝色背后的潜在纳米级元凶只是其中一部分。Kamska 博士和她的同事还利用计算机模拟来确认这些纳米结构的哪些结构参数决定了观察到的光谱外观的特定波长。“在如此小的尺度上手动操作结构极具挑战性，因此这些模拟对于理解可用的调色板非常有用，”Kamska 博士说道。
这一发现还揭示，鲨鱼标志性的颜色可能通过齿髓腔内鸟嘌呤晶体层间相对距离的微小变化而改变。层间距离变窄会形成标志性的蓝色，而增加层间距离则会将颜色转变为绿色和金色。
卡姆斯卡博士和她的团队已经证明，这种颜色变化的结构机制可能是由影响鸟嘌呤小板间距的环境因素驱动的。“这样一来，像湿度或水压变化这样简单的因素引起的细微变化都可能改变体色，进而塑造动物在自然环境中的伪装或遮蔽方式，”迪恩教授说道。
例如，鲨鱼游得越深，它们的皮肤承受的压力就越大，鸟嘌呤晶体就可能被挤压得越紧密，这应该会使鲨鱼的颜色变深，以更好地适应周围环境。“下一步是观察这种机制在鲨鱼的自然环境中是如何运作的，”卡姆斯卡博士说。
这项研究不仅为鲨鱼的解剖学和进化提供了重要的新见解，也具有巨大的仿生工程应用潜力。“这些细齿不仅为鲨鱼提供了流体动力学和防污优势，我们现在发现它们还能产生甚至改变颜色，”迪恩教授说道。“据我们所知，这种多功能结构设计——一种兼具高速流体动力学和光学伪装特性的海洋表面——此前从未见过。”
因此，这一发现可能对改善制造业的环境可持续性具有重要意义。“结构着色相对于化学着色的一大优势在于，它能够降低材料的毒性，减少环境污染，”卡姆斯卡博士说道。“结构色是一种非常有用的工具，尤其是在海洋环境中，动态蓝色伪装将大有裨益。”
“随着纳米制造工具的不断改进，这为研究结构如何赋予新功能创造了一个平台，”迪恩教授说道。“我们对其他鱼类如何产生颜色了解颇多，但鲨鱼和鳐鱼早在数亿年前就与硬骨鱼分道扬镳了——因此，这代表着一种完全不同的颜色产生进化路径。”
编译自/scitechdaily