Jak je možné, že ryby a někteří další vodní živočichové vidí dobře i tam, kam proniká jen omezené množství světla? Podle amerických fyziků a biologů, kteří zkoumali oči olihní, je to díky různým koncentracím bílkovin, které způsobují gradient indexu lomu a odstraňují aberace čoček. Nový výzkum sice neslibuje přímé aplikace, ale vědcům by mohl pomoci pochopit podstatu samosestavovacích nanočástic.
Dokonalá čočka by měla soustředit všechna přicházející rovnoběžná čela vln do jednoho bodu. Ve sférických čočkách dopadá čelo vlny na okraj čočky pod ostřejším úhlem než do středu čočky. Světelné paprsky se tedy na okraji čočky lámou více než v blízkosti optické osy. Tomuto jevu říkají fyzici sférická aberace čočky. Lidské oči a oči některých suchozemských živočichů mají nesférické čočky, díky kterým se tato vada odstraní. Ovšem cenou za zlepšení je, že oči nejsou tak citlivé. Protože člověk žije v prostředí, kde je většinou světla dost, toto snížení citlivosti nám v praxi příliš nevadí. V šeru oceánu je však pro vidění důležitý každý zachycený foton.
Už v roce 1854 ukázal James Clerk Maxwell, že sférická aberace může být odstraněna vytvořením čočky s proměnným indexem lomu, který klesá ze středu čočky směrem k okraji, takže čelo vlny procházející středem čočky bude mít vyšší index lomu. Následně biologové objevili, že oči ryb a živočichů, jako jsou olihně nebo chobotnice, mají v očích čočky právě tohoto typu. Jak se však tyto oči tvoří, bylo dosud záhadou.
Index lomu oční čočky závisí v zásadě na koncentraci proteinu (bílkoviny). Udržování gradientu indexu lomu však znamená udržování gradientu koncentrace proteinu, která se nesmí náhodně měnit. Protein nesmí tvořit shluky a podobné poruchy, protože všechny takové útvary mohou rozptylovat světlo a čočka se může stát neprůhlednou.
Biofyzici z Filadelfie zkoumali oči olihně ve čtyřech koncentrických vrstvách. Potvrdili, že index lomu roste z hodnoty kolem 1,34 na okraji čočky až na 1,6 uprostřed. To přesně odpovídá ideální sférické čočce, kterou spočítal Maxwell. Kromě toho zjistili, že vnější části čočky jsou tvořeny gelem, který obsahuje velké množství vody a pouze 4 % proteinu, zatímco vnitřní vrstvy žádnou volnou vodu neobsahují a jsou tvořeny hustou sítí proteinů.
Vědci izolovali příslušnou mRNA (messenger RNA), která přenáší informaci o pořadí aminokyselin z jádra do místa, kde se tvoří proteiny. Tím charakterizovali směs proteinů ve všech částech čočky. Proteiny v čočce oka olihně mají dvojice ramen, které flexibilně a přizpůsobivě drží protein v prostoru. Tým biologů a fyziků zjistil, že v čočce je přítomno na čtyřicet druhů různých proteinů. Směs proteinů nalezená na různých místech má stejné složení, ale délka ramen má tendenci růst směrem k okraji čočky. Vyplývá z toho, že tato ramena spojují molekuly proteinů dohromady.
Tým použil řadu nezávislých analytických metod a zjistil, že na okraji čočky je každá molekula proteinu spojena pouze se dvěma dalšími a vytvářejí se dlouhé řetězce, které se pouze zřídka náhodně kříží. Naopak v centru čočky je každý protein spojen přibližně s šesti dalšími a vytváří se tam hustá síť. Tým předpokládá, že dlouhá ramena vnějších molekul vytvářejí spojení i při velmi nízkých koncentracích a to umožňuje, aby se v roztoku vytvářel gel o malé hustotě. Molekuly s krátkými rameny v centru se musí hustě namačkat, aby vytvořily gel. Základní hypotéza, vyplývající z těchto měření je, že syntéza proteinů se zastaví, když se vytvoří gel, a tím se v daném místě vytvoří požadovaná hustota a požadovaná velikost indexu lomu příslušející právě tomuto místu.
Tento objev sice podle mínění fyziků nepřinese přímé optické aplikace, ale příroda může vědce naučit mnoho nového o skládání nanočástic. Nikdo zatím neumí vytvořit centimetr velký kus materiálu, kde se všechny nanočástice samy přesně uspořádají, což je přesně to, co se při vytváření oční čočky olihně děje. Dosud není jasné, jaké všechny poznatky studium těchto geneticky kódovaných spojovacích článků, které umožňují vytvořit bulkový, přesně uspořádaný materiál z nanočástic (v tomto případě z proteinů), přinese, dají se však očekávat různá překvapení.
Jak olihně a ryby získávají tyto dokonalé čočky, je tedy otázka pro další výzkum. Velký počet přítomných proteinů bude třeba ještě prověřit a jsou tu i další zatím nezodpovězené otázky. Fyzici pevné fáze jsou však nadšeni, protože publikovaná práce v podstatě přichází s novou koncepcí, jak vysvětlit schopnost některých systémů vytvářet stabilní gely. Ukazuje se, že příroda si dokáže vybrat a využívat fyzikální zákony, které jsme my teprve nedávno pochopili.
Původní práce byla uveřejněna v Science.
Mohlo by vás zajímat:
Uhlíkové
nanotrubice vyrábějí elektřinu
Fotony
pro telekomunikace
Spintronické
neurony rozeznávají řeč
Fyzici
rozvinuli herkulánské svitky