Slangster
is één groot oog
Uitzonderlijk
visueel systeem biedt mogelijkheden voor optische industrie - 23-08-2001
Een
bepaalde soort slangster, een zeedier dat verwant is aan de zeester,
heeft een geraamte met een dubbele functie. Niet alleen zorgt het
voor de gebruikelijke stevigheid, het doet ook dienst als ‘oog’, inclusief
zonnebril. Volgens de onderzoekers is het mensen nog niet gelukt lenzen
te maken die zo volmaakt zijn als wat er op het geraamte van een slangster
wordt teruggevonden. Zij hopen dan ook dat het onderzoek zal leiden
naar de ontwikkeling van betere optische instrumenten.
Slangsterren
komen wereldwijd in koraalriffen voor en lijken op een mobielere versie
van de bekende zeester. Lange dunne armen (doorgaans vijf) zijn aan
een klein, cirkelvormig lichaam bevestigd. De dieren zijn verwant
aan de zeester, zeekomkommer, zee-egel en tal van andere zeedieren.
Eén van de vele soorten slangsterren trekt al langer de aandacht van
wetenschappers. Tien jaar geleden stelde Gordon Hendler immers vast
dat deze soort, de Ophiocoma wendtii uitzonderlijk gevoelig
is aan licht en dat leden van deze familie van kleur kunnen veranderen.
Overdag heeft de slangster een roestbruine kleur, ’s nachts hult hij
zich in een grijs kleedje. Ook al heeft het dier geen ogen, toch merkte
Hendlert dat het in staat is schaduwen waar te nemen, zodat de slangster
snel in een scheur in het koraal kan verdwijnen als een roofdier nadert.
Bovendien bleken de reacties afhankelijk te zijn van de kleur van
het dier.
Hendler vermoedde dat de vreemde, bolvormige structuren die hij aantrof
op de oppervlakte van het skelet van de slangster verantwoordelijk
zijn voor de lichtgevoeligheid van het zeedier. Een dissectie leverde
gegevens op die in dezelfde richting wezen: onder de vreemde structuren
trof de onderzoeker zenuwstructuren aan die vrij gecompliceerd zijn
voor deze diersoort.
Deze raadselachtige vaststellingen vroegen nader onderzoek en Hendler
zocht assistentie bij Lia Addadi, Steve Weiner en de studente Joanna
Aizenberg. Zij hadden aan het Israëlische Weizmann
Institute of Science onderzoek verricht naar de manier waarop
het geraamte van dieren zich vormt en hadden ontdekt dat dieren verschillende
soorten proteïnen produceren, waarvan sommige instaan voor kristalvorming.
Samen stelden zij vast dat het skelet van de slangster is opgebouwd
uit kristallen van calciet. Elk element bleek honderden optische lenzen
te dragen, lenzen waarvan de optische as loodrecht op de rijen lenzen
op het skelet staan. Dat betekent dat de lenzen licht doorgeven zonder
het op te splitsen. Zo bleven nog maar enkele vragen onbeantwoord:
vallen de lichtstralen die door de lenzen worden gebundeld wel op
de zenuwen, en waarom verandert het dier van kleur? Er moest echter
nog een decennium gewacht worden voor de vorsers een methode bedachten
waarmee deze hypothese getest kon worden.
Joanna Aizenberg werkt intussen bij Bell
Laboratories en het was met de faciliteiten van deze onderzoeksafdeling
dat kon worden nagegaan waar de lichtstralen die door de lenzen van
de slangster gaan terecht komen. Een rij kristallen van een onfortuinlijke
slangster werd daartoe boven een laag lichtgevoelig materiaal gehouden,
waarna deze constructie aan licht werd blootgesteld. De lichtbundels
lieten precies onder de kristallen een afdruk na op de lichtgevoelige
laag. Door met de hoogte te experimenteren, bleek bovendien dat het
brandpunt – waar het licht met een factor 50 geconcentreerd wordt
– op ongeveer 5 micron (0,0005 cm) ligt. Exact de afstand die de zenuwbanen
van de kristallen scheidt.
De kleurverandering is volgens de onderzoekers een natuurlijke variant
van een zonnebril. Overdag bedekken gepigmenteerde cellen de lenzen
van de slangster, waardoor het licht gefilterd wordt. Als de nacht
inzet verdwijnen de cellen in de opperhuid van het dier, waardoor
de lenzen ook het weinige beschikbare licht opvangen.
Dat de slangster bedekt is met duizenden microscopische lenzen maakt
van het dier één groot, samengesteld oog, dat tegelijk alle richtingen
uit kan ‘kijken’. Wat de aard van het beeld is dat de kristallen vormen
is onduidelijk, al zijn er gedragsexperimenten gepland om te achterhalen
wat de belangrijkste functie is van het slangster-oog. Bovendien is
dit visueel systeem uniek, bij geen enkel ander dier werd een dergelijk
mechanisme ontdekt. Het levert de slangster in elk geval heel wat
voordelen op. Hendler heeft in de magen van roofvissen die in hetzelfde
gebied opereren significant minder slangsterren van deze variëteit
teruggevonden in vergelijking met blinde slangsterren, die veel vaker
op het menu bleken te staan.
Niet alleen biologen op zoek naar eigenaardigheden zijn geïnteresseerd
in dit onderzoek, dat in het recentste nummer van Nature
werd gepubliceerd. De vorsers staan immers versteld van de perfectie
van de lenzen, die niet geëvenaard kan worden door de nochtans sterk
ontwikkelde optische sector. Het is dan ook een wat verrassende vaststelling
dat een wezen zonder hersenen zulke prachtige microstructuren kan
maken. Het aan Bell Laboratories verbonden Lucent
Technologies vraagt zich af op welke manier deze prestatie nagebootst
kan worden door de mens en zo mogelijk kan bijdragen aan de ontwikkeling
van nieuwe technologieën voor optische netwerken, verbeterde lithografie
en optische computers.
De microlenzen die nu worden geproduceerd hebben nog steeds te kampen
met afwijkingen, maar de slangsterlenzen slagen erin deze problemen
te omzeilen. Lucent hoopt nu de natuur na te kunnen bootsen – een
idee waar zij lang niet alleen mee staan. Biomimetics
- technologische nabootsingen van natuurlijke systemen - is een nieuw
toverwoord in diverse laboratoria, waar men steeds opnieuw moet vaststellen
dat de evolutionaire ontwikkelingen die door de natuur worden aangedragen
een antwoord zouden kunnen zijn op problemen die technologisch nog
niet aangepakt kunnen worden.
David
de Vaal
Aansluitende artikels:
Eerste
planten verschenen miljoenen jaren eerder dan vermoed – 10-08-2001
Dino’s
krijgen neuscorrectie – 03-08-2001
Mooi
weer op bestelling – 02-08-2001
Related links:
Lithografie
van de toekomst
Optische
netwerken
Lucent
technologies
Bell
Labs
Weizmann
Institute of Science
Nature
Biomimetics
©
David de Vaal
