Nanoštruktúra vtáčích pier môže inšpirovať materiálových inžinierov

Celý rad vtákov vrátane pávov či kolibríkov vďačí za pestrú farebnosť operenia štruktúrnym farbám (to znamená, že výsledná farba je určená štruktúrou peria a nie napr. pigmentmi). Iridiscentné (dúhové alebo opalizujúce) farby sú jedným zo štruktúrnych typov sfarbenia, kde sa vnímaný odtieň farby mení v závislosti od pozície pozorovateľa a uhla dopadajúceho svetla.

Iridiscentné operenie vzniklo pri najrôznejších skupinách vtákov a je výsledkom nanoštruktúry peria, konkrétne tvaru melanozómov (organel vyplnených melanínom) v perových barbuloch (jemných bočných lúčoch odštiepujúcich sa od perových vetvičiek). Nedávna štúdia vedcov z USA odhalila, že kľúčovou vlastnosťou pri produkcii iridiscentných farieb je hrúbka melanínovej vrstvy, do ktorej sú melanozómy usporiadané. Na dosiahnutie žiarivých farieb je nevyhnutné, aby bola tenká. Autori zistili, že pôvodným (ancestrálnym) znakom vtákov je prítomnosť hrubej melanínovej vrstvy v perách, ktorá produkuje len slabo iridiscentné operenie (napríklad niektoré škorce alebo krkavcovité). Autori odhalili aj to, že usporiadanie melanozómov do tenkých melanínových vrstiev sa objavilo pri vtákoch niekoľkokrát nezávisle od seba, pričom rôzne skupiny vtákov dosahujú toto usporiadanie rozdielnymi spôsobmi: priamym stenčením vrstvy, vyhĺbením priestoru v melanozómoch (vyzerajú ako prázdne tyčinky), alebo ich sploštením do akejsi doštičky. Vznik tenkých melanínových vrstiev umožnil vtákom viac než zdvojnásobiť paletu farieb produkovaných ancestrálnou hrubou melanínovou vrstvou a aj zvýšiť ich jas.

Duhový ocas kolibříka šedobřichého (Phaethornis guy). Tenké vrstvy melaninu uvnitř drobných vláken peří zesilují světlo určitých vlnových délek v závislosti na úhlu pohledu. Tento poznatek by mohl pomoci pochopit, jak a kdy se u ptáků vyvinula duhovost poprvé, a také inspirovat vývoj nových materiálů, které mohou zachycovat světlo a manipulovat s ním.  Snímek David Ocampo, Department of Ecology and Evolutionary Biology

Toto zistenie môže byť veľmi užitočné z viacerých dôvodov. Melanozómy niekedy ostávajú milióny rokov zachované vo fosílnom perí a paleontológovia môžu na základe ich tvaru odvodiť pôvodné sfarbenie druhu. Druhohorný teropod Microraptor sa svojím sfarbením mohol podobať na naše škorce, pretože v jeho operení sa našli pomerne hrubé melanínové vrstvy. Získané poznatky môžu pomôcť napríklad aj pri vývoji iridiscentných nanoštruktúrovaných materiálov užitočných pri zachytávaní svetla alebo manipulácii s ním, pri tvorbe farieb a náterov neobsahujúcich farbivá alebo pigmenty, či multifunkčných materiálov. Melaníny sú totiž okrem produkcie iridiscentných farieb užitočné aj pri ochrane vtákov pred ultrafialovým žiarením, a vďaka nim sa perie stáva odolnejšie voči poškodeniu vodou alebo baktériami.

U duhového peří existuje pět základních typů melanozomů (spodní řada). Silné tyčinky mají ptáci se slabým duhovým zbarvením, například vlhovec hnědohlavý (Molothrus ater – A). Všechny ostatní typy melanozomů dávají vzniknout brilantní duhovosti, uspořádání melaninu je v nich však různé a zvýrazňuje vždy jiné škály barev. Ostatní ptáci na snímcích: B – holub nikobarský (Caloenas nicobarica), C – trogon krásný (Trogon elegant), D – strdimil proměnlivý (Cinnyris venustus) a E – kolibřík rubínohrdlý (Archilochus colubris). Schéma Klara Nordénová, Department of Ecology and Evolutionary Biology, upraveno; kresba pera Alan Haviluddin, Vecteezy.com

Nordén K. K. et al.: eLife, 2021, DOI: 10.7554/eLife.71179