Пір'я павича здатне випромінювати лазерне світло завдяки наявності нанокавітатів.

Вчені виявили, що пір'я павича здатне генерувати лазерне світло завдяки прихованим наноструктурам у волокнах пера

Науковці зробили сенсаційне відкриття, виявивши, що пір'я павича має здатність виробляти лазерне випромінювання. Це стало першим випадком виявлення лазерної порожнини в тканинах живих організмів.

Яскраві кольори павичого пера не залежать від пігментів, а є прикладом структурного забарвлення. Матеріали з пігментним забарвленням поглинають певні довжини хвиль світла та відбивають інші. Структурне забарвлення виникає внаслідок фізичної взаємодії між світлом та наномасштабними структурами. В очних плямах хвостових пер наноскопічні стрижні меланіну, покриті кератином, утворюють високорегулярні та тонко розташовані масиви з повторюваними структурами масштабом сотень нанометрів, відбиваючи світло у передбачуваних райдужних візерунках.

У пір'ї павича ці структури знаходяться всередині тоненьких волокон, які називаються барбули. Ці періодичні формування виконують роль природних фотонних кристалів — матеріалів, що пропускають лише певні довжини хвиль світла, блокуючи інші.

Нове дослідження розпочалося з сміливого питання: чи можуть ці самі мікроструктури робити більше, ніж просто відбивати світло? Чи можуть вони за відповідних умов підсилювати його?

Для перевірки ідеї дослідники нанесли родамін 6G, барвник, який зазвичай використовується в лабораторних лазерах, на очні плями павичого пера. Науковці забарвлювали та висушували кожен зразок кілька разів, щоб барвник повністю проник у внутрішні структури. Потім вони імпульсно опромінювали забарвлені пера лазерним світлом довжиною 532 нанометри -- зеленим, близьким до максимуму поглинання родаміну. І вони виявили щось надзвичайне.

З лазера виходило світло: тонкі, яскраві спектральні лінії на 574 та 583 нанометрах в жовто-оранжевій частині спектра. Ці випромінювання мали чітко виражені вузькі, когерентні характеристики і залежали від накачування — три ключові ознаки, що вказують на справжнє лазерне випромінювання, а не на звичайне свічення флуоресценції.

Вчені спостерігали ті самі лазерні лінії в кожній частині очної плями пера, незалежно від кольору. Це не може бути збігом. "Це як кидати дві стосторонні кості та завжди отримувати ті самі два числа", сказав фізик Натан Досон, провідний автор дослідження.

Лазерне випромінювання час від часу виявляється в біологічних зразках, але зазвичай воно проявляється як "випадкове лазерне випромінювання". Цей феномен виникає, коли світло безладно розсіюється у неоднорідних середовищах. Випадки випадкових лазерів були зафіксовані в різноманітних об'єктах — від пір'я папуг до тканин людини. Однак їхнє випромінювання є непередбачуваним і може змінювати довжину хвилі навіть при незначних коливаннях в структурі або освітленні.

Пера павича не виявили жодних випадкових результатів. Незалежно від того, яку кольорову зону пера досліджували спеціалісти, завжди виникали ті ж дві лазерні лінії на практично однакових довжинах хвиль. Отримані результати були стабільними у багатьох зразках та під час кількох експериментів.

Якби це були випадкові лазерні моди, ви б не бачили однакових піків щоразу. Послідовність означає, що існує високорегулярна структура зворотного зв'язку, яка виконує роботу.

Автори висловлюють припущення, що мікроскопічні, раніше не досліджені структури — можливо, білкові гранули або наномасштабні кератинові порожнини — формують резонансні камери, необхідні для генерації лазерного випромінювання. Ці теоретичні резонатори, які знаходяться у складі барбулів пера, повинні мати надзвичайну однорідність як за розміром, так і за оптичними характеристиками, щоб забезпечити виникнення однорідних спектральних ліній, які були зафіксовані в ході експериментів.

Дійсно, розрахунки вказують на те, що дві ключові лазерні лінії могли б відповідати резонаторам з оптичною довжиною близько 92-93 нанометрів — це надзвичайно малий розмір, навіть за біологічними мірками. Інше можливе пояснення, пов'язане з галерейними модами, було відкинуто, оскільки для їх виникнення необхідні гладкі, круглі форми, які не зустрічаються в структурі павича. Також було спростовано ймовірність випадкового розсіювання через стабільність спектра.

Яка ж еволюційна причина виникнення цієї природної лазерної порожнини? Можливо, її не існує. Немає переконливих свідчень того, що павичі використовують ці лазерні характеристики для спілкування чи демонстрації. Скоріше за все, це всього лише побічний ефект специфіки структури їхнього пір'я.

Проте, наслідки вражаючі. Це відкриття може стати ключем до розуміння того, як організовані регулярні структури в живих системах. Вимірювання лазерного випромінювання можуть в майбутньому допомогти виявляти мікроскопічні структурні деталі в клітинах, тканинах або навіть вірусах — там, де можливо використати барвники.

Біологічні лазери активно вивчаються для застосування в організмі, зокрема в таких сферах, як зображення, діагностика та цілеспрямоване лікування. Однак впровадження штучних лазерних порожнин може викликати певні ускладнення. А що, якби природа сама створила їх?

Це може стати початковим етапом до створення абсолютно біосумісних лазерних систем. У майбутньому подібні конструкції можуть знайти застосування в якості сенсорів в організмі людини.

"Я завжди вважаю, що багато технологічних інновацій, які поліпшують життя людей, могли бути вже створені якимось організмом в результаті еволюційних змін", – поділився думкою Досон у розмові з виданням Science Mag.

Результати дослідження опубліковані в журналі Scientific Reports.