Phát hiện cơ chế biến sắc mực và bạch tuộc

Hai năm trước, một đội liên ngành từ Đại học Tổng hợp UC Santa Barbara (UCSB) của Mỹ phát hiện ra cơ chế, theo đó Doryteuthis opalescens – dẫn truyền thần kinh thay đổi đáng kể màu sắc ở mực… Acetylcholine có chức năng dẫn truyền xung thần kinh, được đặt trong chuyển động một chuỗi sự kiện liên quan việc bổ sung các nhóm phosphate trong một nhóm protein đặc biệt gọi là reflectins. Quá trình này cho phép các protein ngưng tụ, quá trình chuyển động sẽ làm thay đổi màu sắc con vật.

Cấu trúc màu sắc hoàn toàn dựa vào mật độ và hình dạng vật liệu chứ không phải tính chất hóa học của nó. Các nghiên cứu mới nhất từ nhóm UCSB cho thấy tế bào đặc biệt trong da mực, tên là iridocytes, có nếp gấp sâu hoặc invaginations của màng tế bào mở rộng sâu vào cơ thể đến vách tế bào. Điều này tạo ra lớp lá mỏng và hoạt động như một phản xạ Bragg du dương. Phản xạ Bragg được đặt tên sau khi người cha và con trai ở nước Anh đã phát hiện ra hơn một thế kỷ trước và dự đoán thời gian khả năng định kỳ cấu trúc phản chiếu ánh sáng thường xuyên.

“Chúng tôi biết động vật thân mềm sử dụng màu ánh kim du dương của mình để ngụy trang nhằm kiểm soát xung quanh tốt hơn hoặc trong một số trường hợp tương thích với nền”, đồng tác giả Daniel E. Morse, giáo sư Wilcox – Giám đốc Trung tâm Công nghệ sinh học Viện Khoa phân tử công nghệ sinh học tế bào và phát triển sinh học/khoa học biển tại UCSB cho biết.

“Chúng cũng sử dụng nó để tạo ra các mẫu màu khó hiểu mà chủ yếu là làm gián đoạn nhận thức về thị giác của một số động vật ăn thịt theo sự phối hợp tương tác, đặc biệt là giao phối, thay đổi liên tục ở mỗi lần xuất hiện”, ông cho biết thêm. “Ví như một số loài mực: màu đỏ tươi nghĩa là để tránh xa, trong khi ở cá ngựa vằn là một lời mời giao phối”.

Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tạo ra các kháng thể đặc biệt để ràng buộc các protein reflectins; bên cạnh đó họ cũng tiết lộ rằng reflectins nắm độc quyền chi phối sự hình thành những lá mỏng từ các nếp gấp trong màng tế bào. Các sự kiện xảy ra đáng kể trong sự ngưng tụ của reflectins gây ra áp suất thẩm thấu bên trong các lá mỏng dẫn đến việc đào thải nước, làm cho các lá mỏng co lại và quá trình khử nước làm giảm độ dày và khoảng cách giữa chúng. Sự di chuyển của nước đã được chứng minh trực tiếp sử dụng deuterium bao bọc bên ngoài.

Khi dẫn truyền thần kinh acetylcholin được rửa sạch và các tế bào có thể phục hồi, các lá mỏng tích nước đầy đủ làm cho việc khôi phục nước trở lại cho phép các lá mỏng tăng tới độ dày ban đầu của nó. Quá trình mất nước và bù nước xảy ra liên tục, các lá cũng co hẹp lại và trương lên làm thay đổi độ dày và khoảng cách, trong khi đó có sự thay đổi lần lượt về bước sóng ánh sáng, đó là sự phản ánh, cho nên việc “điều chỉnh” sự thay đổi màu sắc trên toàn bộ quang phổ để nhìn thấy được là điều cần thiết.

“Điều này ảnh hưởng của sự ngưng tụ trên reflectins, đồng thời làm tăng chỉ số khúc xạ bên trong các lá mỏng”, Morse giải thích. “Ban đầu, trước khi các protein được hợp nhất, chỉ số khúc xạ – hiểu đơn giản như mật độ – bên trong và bên ngoài các lá mỏng, mà thực sự là môi trường nước bên ngoài cùng, không có sự khác biệt về quang học nên không được phản ánh… Nhưng khi các protein tổng hợp lại, điều này làm tăng chỉ số khúc xạ nên sự tương phản giữa bên trong và bên ngoài có sự gia tăng đột biến, làm cho các lá mỏng chồng lên nhau để tạo thành phản xạ, trong khi cùng lúc việc mất nước và co lại gây ra thay đổi màu sắc. Các động vật có thể kiểm soát mức độ mà điều này xảy ra – nó có thể chọn màu sắc – và nó cũng đảo ngược độ chính xác điều chỉnh này bằng cách thay đổi kích thước nano của lá mỏng là điều tuyệt vời”.

Trong một bài báo khác của cùng nhóm nhà nghiên cứu, công bố trong Tạp chí Royal Society Interface, tác giả chính là nhà vật lý Amitabh Ghoshal, tiến hành một phân tích toán học về sự thay đổi màu sắc và khẳng định những thay đổi trong chỉ số khúc xạ hoàn toàn tương ứng các phép đo thực hiện với các tế bào sống.

Bài báo thứ ba, công bố trên Tạp chí Thực nghiệm sinh học, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng trữ lượng con cái cho thấy một tập hợp sọc có thể được kích hoạt bằng ánh sáng và có thể hoạt động trong quá trình giao phối, cho phép con cái bắt chước sự xuất hiện của con đực, do đó làm giảm số lần gặp gỡ giao phối và liên lạc tích cực với con đực. Quan trọng nhất trong việc tìm kiếm nghiên cứu này là việc phát hiện ra một cặp mà việc chuyển đổi từ không màu sang sáng trắng.

“Đây là lần đầu tiên các tế bào màu trắng chuyển đổi dựa trên các protein reflectin đã được phát hiện”, Morse lưu ý thêm.

Những phát hiện này có thể ứng dụng thực tế? “Trong ngành viễn thông, chúng tôi đang nỗ lực nhiều hơn, nhằm đáp ứng thông tin liên lạc nhanh chóng dựa trên ánh sáng”, Morse cho biết, “Chúng tôi đã sử dụng cáp quang và chuyển mạch quang tử trong một số thiết bị viễn thông của chúng tôi; nhưng có câu hỏi đặt ra cho đến lúc này, chúng ta có thể học hỏi gì từ những cơ chế cuốn tiểu thuyết Biophotonic đã phát triển qua hàng triệu năm bằng việc chọn cách tiếp cận mới từ tự nhiên làm vật liệu quang tử du dương và chuyển đổi để mã hóa hiệu quả hơn, giúp truyền tải và giải mã thông tin thông qua ánh sáng?”.

Các nhà nghiên cứu UCSB đang hợp tác với hệ thống Raytheon Vision ở Goleta (California, Mỹ) để điều tra các ứng dụng cùng những khám phá của họ trong sự phát triển các bộ lọc du dương và cửa chớp có thể chuyển đổi cho máy ảnh hồng ngoại. Cùng đó, có thể ứng dụng cho ngụy trang tổng hợp.