惊呆!扇贝居然还能做这么高科技的东西!

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惊呆!扇贝居然还能做这么高科技的东西!2018-01-17

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二百年才发现的发现

 

两个多世纪以前,有位意大利的军官、医生、物理学家、博物学家突然间发现,原来扇贝也是有眼睛的!而且还不少!于是乎,这位跨界鼻祖在其上下籍的巨著《西西里双壳类志与解剖学》中详细描绘了扇贝眼睛的形态,他叫做Giuseppe Saverio Poli。

在这本巨著中,他详细描述了一种欧洲常见的扇贝,竟有多达200只以上的细小眼睛——虽然每颗直径大概只有1mm左右。这些细小眼睛平均的分布在背壳边缘的外套膜上。虽然做不到像LadyBug5+全景相机一样的无死角,但能覆盖大约250°的视场也是很可观了,真·自带全景。

 


▲野生的扇贝自拍照。哪些边缘的芝麻粒大小的小黑点看到了吗?这就是它的眼了。像这样的“芝麻粒”还有大概200个。

 


▲观察下“小芝麻粒”的细节。

 

一个世纪之后,好奇的生物学家们,目光再次聚焦在了扇贝眼睛的光学结构上。虽然想象中的扇贝眼与人眼以及其他动物眼成像的基本光学原理相同:光线在晶状体的帮助下发生折射,聚焦在视网膜上形成像。然后由感光细胞将光信号转化成电信号,在视神经的传递下在脑中成像。这种最简单的眼睛成像原理,通常被叫做“照相机眼”。

 

▲上图为上上世纪还没看出来是眼睛的扇贝眼睛,下图为人眼的光学成像原理。

 

五十年后,英国的一位类似于中国科学院院士的皇家学会学士,迈克尔·兰德,首次发现,扇贝眼睛的光学原理没有想象中那么简单。还好,当时已经出现了透射电子显微镜的成像技术,所以他可以借助此法精准的测量和观察。最终,他得出了一个惊人的结论:扇贝眼根本不需要晶状体来聚焦,而是通过具有反射式成像能力的特殊结构成像!

 


▲在电镜的拍摄下,扇贝眼睛的晶状体结构并不负责汇聚光线。

 

同时,他还发现,通过晶状体的光线并没有按照人眼一样直接在视网膜上成像,而是穿过视网膜,在类似凹面镜形状的银色薄膜反射后,在银色薄膜以上成像。他还注意到,扇贝眼同时拥有两层视网膜,即在银色薄膜附近的近端视网膜,以及银色薄膜上方的远端视网膜。于是,经过进一步的观察和测量,远端视网膜的成像作用得到证实,但是对于近端视网膜是做什么用的,还有待后人继续研究。

 


▲图为每只扇贝小眼的成像原理,微弱的光线经由晶状体反射汇聚到银色薄膜上,在远端视网膜上成像。这种类似牛顿反射式望远镜的成像原理,实在让人脑洞大开,小小扇贝竟然自带反射式望远镜阵列。

 

▲左为初中生物书风格的扇贝小眼侧切图,右为银色薄膜在电镜中的图片。这里的电镜图片受到当时技术的制约,本应看到鸟嘌呤晶体的地方,却只能看到空白。

 

所以探索扇贝小眼的关键就在银色薄膜上。功夫不负有心人,兰德在不懈的研究后发现,银色薄膜主要由鸟嘌呤组成,而这些鸟嘌呤多为片状晶体,规则排列层层堆砌,中间充满细胞质,从而将整体形成表面极光滑的凹面镜。进一步的研究证明,这样结构的眼睛反光效率非常之高,然而受当时技术所限,一系列问题还不得而知,比如这样的光学结构怎么运转的?传统电镜在制作样本时,都必须经过脱水、漂洗等破坏性步骤,导致了以鸟嘌呤为材质的晶体完全分解无法观测,片状晶体间的细胞质也完全流失,片状结构整体都被破坏了,这还怎么玩?

 

冷冻电镜技术拯救了生物学界


2017年的诺贝尔化学奖,颁给研究发展了冷冻电镜技术(cryo - EM)的三位科学家。这项技术的一个基本出发点,就是为了跳出普通电镜技术局限及所带来的假象,尽可能真实地展现生物大分子在接近体内正常生理条件下,或者说溶液环境中的结构及动态。实现的方法,是利用超低温瞬间冰冻:于是生命仿佛也在瞬间凝固其中,而后科学家再像雕刻家一般,将生命的信息从中剥离出来。

 

▲去年的诺贝尔化学奖,颁发给了深入研究冷冻电镜技术的三位生物学家

 

而之所以研究这样一项技术,就是为了避免传统电镜中对样品的破坏,从而极大地靠近生物在正常环境下的真实原貌。他们将生物样本泡在液态乙炔中瞬间玻璃化,然后使用高度相干的电子作为光源,从上面照下来,透过样品和附近的冰层,受到散射。利用相机将散射信号成像记录下来,从而得到了样品的结构。此举也开创了冷冻电镜的黄金时代。

跨时代意义的冷冻电镜技术,成功破解了鸟嘌呤片状晶体的保存难题!来自以色列的科学家最早将这一技术应用在扇贝小眼的光学结构研究上,其理论研究也被刊登在了最新一期的《Science》期刊上。

经过一系列的拍摄,他们终于获取到了扇贝小眼的银色薄膜高清照片,由此揭开了银色薄膜高反光率的谜题:所有的鸟嘌呤片状晶体整齐的排布在一起,组合成为了一个非常精密且光滑的镜面。这样的镜面结构,最多甚至可以多达几十层。

 


▲在冷冻电镜技术的帮助下,我们可以清晰的看到,片状晶体以正方形无缝铺满整个表面。

 

什么是密铺?

 

平面上大小、形状完全相同的图形能够严丝合缝的铺满全部的平面空间,就叫做平面图形的密铺。我们常见的地砖、墙砖,就是密铺的典型样式。

这种结构对于光学来说具有非常优异的特性,世界上绝大多数反射式望远镜都采用这种结构来组成镜面。拥有密铺结构的镜面,光散和光传输中的损耗都可以降到最低。


▲由美国加州大学和加州理工学院共同研制的新一代地基光学天文观测设备TMT,便使用了密铺结构来拼接镜面,可以看到整个镜面均由正六边形小镜面组合而成。

 

可是还有一个问题:为什么扇贝需要几十层银色薄膜堆叠起来呢?这就涉及到了薄膜干涉以及增反膜的知识了。光线从一种材料进入到另一种材料中时,材料的上下两个面同时都会发生反射和折射。而这两个面的反射光既有可能相互叠加而使光线得到增强,也有可能相互抵消而降低光强。

所以根据公式,当材料厚度是入射光波长的四分之一时,两个面的反射光相互叠加最大。想象下如果把几十层这样的材料堆叠起来,由此可以得到更高的反射效率,从而获得更多的光。

这也就解释了扇贝为什么需要这么多层的银色薄膜。

不光扇贝,其他海洋浮游动物以及部分深海生活的鱼类中,也存在结构相似的反射式成像眼。通过这样一个小小的微型光学系统结构,我们可以对将来更多的高端光学元器件的设计制造提供更多创意。

没想到一个小小的扇贝,竟然隐藏着人类视觉技术发展的机理。随着人类在宏观宇宙和微观生物尺度上越来越深入的研究和理解,更高端的成像技术也必将不断涌现,让生活更加美好!