В Phoroncidia rubroargentea, разновидности пауков, обитающих на Мадагаскаре, есть много поразительного, начиная с их размера - всего три миллиметра, они едва крупнее нескольких крупинок соли.
Но причина, по которой они привлекли внимание Сары Карико, больше связана с их цветом.
В отличие от многих других видов, у которых постепенно вымывается цвет при хранении в этаноле, крошечные пауки ослепительно сверкали, мерцая красным и серебристым, даже после десятилетий пребывания в этаноле.
«Я разбирала образцы из своих экспедиций на Мадагаскар, и эти маленькие красные пауки постоянно привлекали мое внимание», - сказала Карико. «Я спросил коллегу: «Вы когда-нибудь видели это раньше?» Когда я начал просматривать одни и те же виды пауков на полках в коллекции, а затем начал рассматривать экземпляры из других музеев, они тоже выглядели так, поэтому я начал спрашивать, как это происходит? Что здесь происходит?"
Эти вопросы были началом путешествия, которое привело Карико и нескольких других ученых из Гарварда (плюс двух ученых из Научного института Вейцмана) к изучению того, как крошечные пауки производят свои отличительные цвета, и почему они так удивительно прочный.
Их результаты, опубликованные в 2018 году в качестве обложки в Journal of the Royal Society Interface, показывают, что пауки на самом деле используют комбинацию стратегий, включая структурные цвета, пигмент и флуоресцентный материал, для получения своих цветов, и что все это защищено жестким слоем кутикулы.
«Мы еще точно не знаем, почему у этих пауков такая окраска», - сказала Карико. «В лесах, где водятся эти пауки, есть много визуальных хищников, таких как хамелеоны, поэтому, возможно, это может быть предупредительной или защитной окраской. почему до сих пор остается загадкой, которую мы надеемся разгадать."
Первым шагом в демонтаже цветов паука был Джеймс Уивер из Гарвардского института биологической инженерии имени Висса, который исследовал образцы вместе с Карико, а затем связался с Матиасом Колле, когда тот работал в лаборатории биоминерализации и биомиметики Джоанны Айзенберг (сейчас он профессор кафедры машиностроения Массачусетского технологического института) для проведения спектроскопических измерений.
Они быстро поняли, что им также нужен человек со специальным набором навыков в области материаловедения, а также отличной ловкостью рук для работы с этими крошечными образцами, поэтому они связались с Линг Ли.
Ли, научный сотрудник Института Висса (а ныне профессор кафедры машиностроения Технологического института Вирджинии), использовал широкий спектр методов визуализации - от оптической микроскопии до флуоресценции и электронной микроскопии - для изучения цветов в точная деталь.
Команда расширилась, в нее вошли Яакко Тимонен из Школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (а теперь профессор Университета Аалто в Финляндии), который провел детальное флуоресцентное изображение образцов пауков, а также Кэролин Маркс, специалист по биологической визуализации из Центра наноразмерных систем, который также был доставлен на борт, чтобы помочь подготовить и исследовать очень тонкие срезы паука.
Очень быстро, сказали Ли и Колле, стало ясно, что серебристый цвет был результатом материала, похожего на тот, что содержится в отражающей рыбьей чешуе.
Эта структура функционирует, сказал Колле, путем укладки друг на друга ряда крошечных пластин толщиной 100 нанометров (около 1/1000 ширины человеческого волоса) из материала с высокой отражающей способностью. Каждая пластина отражает свет с немного отличающейся длиной волны, и эти длины волн либо компенсируют друг друга, либо суммируются, создавая цвет.
«Анализ Линга показал это прекрасно», - сказал Колле. «Мы смогли сфотографировать эти тромбоциты и показать, что они имеют определенную толщину, но нет специального контроля расстояния между ними. Это означает, что некоторые области могут отфильтровывать красный цвет и сильно отражать его, а другие области могут делать то же самое для синий или зеленый. Если все это сложить, получится серебристый цвет».
«Мы смогли показать, что этот серебристый цвет является структурным», - добавил Ли. «Это объясняет, почему цвет не исчезает - он встроен в структуру».
Команда также обнаружила, что (неструктурный) красный цвет способен сопротивляться выцветанию в этаноле, потому что пигмент заключен в массив крошечных «микросфер», диаметр которых составляет всего около одного микрона.
«Насколько нам известно, это что-то уникальное, я думаю, с точки зрения пауков», - сказал Ли. «Мы еще не знаем точных химических компонентов пигмента, но похоже, что эти микросферы способствуют стабильности красного цвета».
Однако защита цвета паука на этом не заканчивается.
«Вероятно, стабильность цвета также повышается за счет внешнего слоя кутикулы», - сказал Ли. «Это паук с твердым телом, поэтому поверхность кутикулы относительно толстая, твердая и прочная, что может обеспечить дополнительную механическую и химическую стабильность. Вокруг серебристого цвета кутикула очень однородная и прозрачная, но в красной области, он модифицирован, чтобы включить дополнительный пигмент, который усиливает красный цвет». И хотя этот цвет удивительно стабилен во времени, их эксперименты также показывают, что его долгосрочная устойчивость к химическому воздействию окружающих фиксаторов также чувствительна к механическим разрушениям или другим воздействиям, которые могут повредить сложную многокомпонентную систему на основе пигмента.
Проведенный командой анализ того, как пауки производят свой отличительный цвет, также обнаружил доказательства необычного явления, называемого «двойникованием», в структуре пластин, используемых для получения серебристого цвета. Два ученых из Института Вейцмана, Лесли Лейзеровиц и Двир Гур, поделились своим опытом в области кристаллографии, чтобы помочь команде определить характеристики атомного расположения этих кристаллов гуанина, используя структурные данные, полученные Ли и Карико..
Эти пластины сделаны из кристаллов гуанина - того же материала, что и отражающая рыбья чешуя, - но в этом случае пластины не являются единым кристаллом, существует плоскость двойникования, которая проходит параллельно ориентации кристалла. По сути, есть два кристалла, обращенные друг к другу, поэтому атомы расположены в зеркальной симметрии».
Хотя такие структуры были обнаружены у двух других животных - тело веслоногих и глаза морского гребешка - P. rubroargentea является первым известным примером скручивания у паукообразных, сказал Карико.
Хотя команда все еще работает над тем, чтобы точно понять, почему происходит двойникование, Ли предположил, что может быть необходимо обеспечить рост тромбоцитов до нужной толщины для достижения желаемых оптических свойств.
В конечном счете, по словам Колле, есть надежда, что лучшее понимание того, как пауки производят свой яркий и стойкий цвет, может также дать ценную информацию, которая может быть применена к другим вопросам материаловедения.
«Самое главное здесь, если вы создаете новый материал для определенной цели, и у вас есть определенные критерии, которым вы хотите соответствовать, например, устойчивость цвета», - сказал Колле. «Мы можем взять некоторые из этих естественных решений в качестве отправной точки».
Phoroncidia rubroargentea также является пауком, который вдохновил Карико на создание программы «Супергерой пауков», первоначально предназначенной для пациентов детской онкологии и гематологии в плавучей больнице для детей, а затем расширенной для Музея естественной истории Гарварда. охватила более 200 детей и их родителей.
В этой программе участники принимают участие в воображаемой кругосветной экспедиции, чтобы встретиться с множеством различных видов пауков и узнать об их приспособлениях (или «суперспособностях»), которые способствуют их выживанию в их конкретных местах обитания.
После этого первоначального знакомства с биоразнообразием пауков дети затем создадут своего собственного супергероя-паука, который поможет им справиться с проблемой реального мира, с которой они сталкиваются, и им может понадобиться небольшая дополнительная помощь. В случае с P. rubroargentea, например, этот паук мог бы напомнить нам, что даже если вы проходите через химиотерапию или что-то еще - она может помочь нам вспомнить, какими красивыми мы можем оставаться внутри и снаружи вне зависимости от трудностей, с которыми мы сталкиваемся на пути..
«Есть много способов вдохновиться миром природы», - сказала Карико. «Мы надеемся, что эта программа поможет открыть нам глаза на красоту и возможности даже самых маленьких существ среди нас».