راز ساختن کابل‌های نوری بهتر: از صدف‌ها بپرسید!

کابل‌های نوری و صدف‌های قلبی: یک کشف شگفت‌انگیز در دنیای دریایی

از زمان معرفی اولین کابل‌های فیبر نوری در دهه ۱۹۷۰، این فناوری به بخش‌های مختلفی، از جمله دستگاه‌های پزشکی، اینترنت پرسرعت و تلویزیون کابلی، راه یافته است. اما به نظر می‌رسد که یک گروه از نرم‌تنان دریایی از ما جلوتر بوده‌اند. یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که صدف‌های قلبی، که به خاطر شکل قلبی‌شان نام‌گذاری شده‌اند، دارای ساختارهای منحصر به فردی در صدف‌های خود هستند که مانند کابل‌های فیبر نوری عمل می‌کنند و طول موج‌های خاصی از نور را به بافت‌هایشان منتقل می‌کنند.

محققان دانشگاه دوک و دانشگاه استنفورد با استفاده از میکروسکوپ الکترونی و لیزری و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، دریافتند که صدف‌های این نرم‌تنان دارای نواحی نیمه‌شفاف و رشته‌های نازک مو مانند هستند که به صورت خاصی قرار گرفته‌اند و نور را به عمق بافت‌های خود منتقل می‌کنند. نتایج این تحقیق در تاریخ ۱۹ نوامبر در نشریه Nature Communications منتشر شد.

رابطه متقابل با جلبک‌های میکروسکوپی

صدف‌های قلبی در آب‌های گرم و استوایی اقیانوس هند-آرام یافت می‌شوند و رابطه‌ای متقابل و سودمند با جلبک‌های میکروسکوپی که در بافت‌هایشان زندگی می‌کنند، دارند. این جلبک‌ها برای رشد به نور نیاز دارند. در حالی که جلبک‌ها از پناهگاه و مکان امن برای زندگی و رشد بهره‌مند می‌شوند، صدف‌ها نیز از قندهایی که جلبک‌ها از طریق فتوسنتز تولید می‌کنند، تغذیه می‌کنند.

برای حفظ این ارتباط نزدیک، صدف‌های قلبی هنر باغبانی درون‌ساز را به خوبی یاد گرفته‌اند و نور را به داخل صدف‌های تاریک خود هدایت می‌کنند. آن‌ها پنجره‌های طبیعی را برای تأمین نور مورد نیاز جلبک‌های خود تکامل داده‌اند، بدون اینکه صدف‌های خود را باز کنند و خود را در معرض منقار و چنگال‌های شکارچیان بالقوه قرار دهند. داکوتا مک‌کوی، نویسنده اصلی این تحقیق، گفت: “آن‌ها در واقع پنجره‌های نیمه‌شفاف در صدف‌های خود تکامل یافته‌اند.” مک‌کوی که این کار را به عنوان یک محقق NSF PRFB تحت نظر سونکه جانسن در دانشگاه دوک آغاز کرده بود، اکنون استاد یار دانشگاه شیکاگو است.

کشفات جدید در ساختار صدف‌ها

با استفاده از میکروسکوپ لیزر اسکن برای مطالعه هندسه سه‌بعدی صدف‌های قلبی، محققان دریافتند که زیر هر پنجره، برآمدگی‌های کوچک و نیمه‌شفاف که کوچک‌تر از دانه‌های شن هستند، به عنوان لنز عمل می‌کنند و نور خورشید را به یک پرتو متمرکز می‌کنند که به داخل صدف نفوذ می‌کند و محل زندگی جلبک‌هاست.

کشفات جدید در ساختار صدف‌های قلبی

جانسن، نویسنده ارشد و استاد زیست‌شناسی در دانشگاه دوک، گفت: “من این را مانند یک کاتدرال ارگانیک با پنجره‌های شیشه‌ای رنگی تصور می‌کنم که نور بر روی مومنان درون آن می‌افتد.” محققان زمانی که به صدف‌ها زیر میکروسکوپ الکترونی اسکن نگاه کردند، با شگفتی دیگری مواجه شدند. صدف‌های قلبی و بسیاری از حیوانات دریایی دیگر از نوع خاصی از کربنات کلسیم به نام آراگونیت برای ساخت صدف‌های خود استفاده می‌کنند.

میکروسکوپ نشان داد که بیشتر صدف‌های قلبی دارای ساختار لایه‌ای هستند که در آن صفحات نازک آراگونیت در زوایای مختلف روی هم قرار گرفته‌اند. مک‌کوی گفت: “این شبیه به کارهای آجری زیبا است.” اما در هر پنجره، ماده صدف به صورت الیاف موی‌مانند و متراکم تشکیل شده است که به جای صفحات، در جهت نور ورودی صف‌آرایی شده‌اند. مک‌کوی افزود: “این به طور کامل متفاوت از آن چیزی است که انتظار دارید.”

شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان داد که اندازه، شکل و جهت الیاف، نور بیشتری را به داخل صدف‌های قلبی منتقل می‌کند تا سایر طراحی‌های ممکن که این موجودات می‌توانستند به طور فرضی ایجاد کنند. به ویژه، این الیاف نور را در محدوده‌های آبی و قرمز که طول موج‌های بهینه برای فتوسنتز هستند، وارد می‌کنند، اما به نظر می‌رسد که تابش ماوراء بنفش را از نفوذ به صدف‌ها مسدود می‌کنند، جایی که ممکن است به DNA آنها آسیب برساند. جانسن گفت: “به طور کلی، الیاف و لنزها یک سیستم برای فیلتر کردن طول موج‌های مضر، هدایت طول موج‌های خوب و متمرکز کردن آنها ایجاد می‌کنند تا به اندازه کافی به داخل صدف بروند و همزیست‌های جلبکی بهترین محیط نوری ممکن را دریافت کنند.”

محققان همچنین دریافتند که به دلیل اینکه الیاف بسته‌بندی شده در صدف‌ها بسیار کوچک و متراکم هستند، اگر نوری از طریق آنها بتابانید، تصویری با وضوح بالا از هر آنچه در زیر آنهاست در سمت دیگر ظاهر می‌شود، تقریباً مانند یک صفحه تلویزیون. تیم تحقیقاتی گفت که نیاز به کار بیشتری وجود دارد تا بفهمند آیا صدف‌های قلبی از این قدرت تصویرسازی چه استفاده‌ای می‌کنند، اگر که استفاده‌ای داشته باشند. جانسن گفت: “یک روز، این صدف‌ها می‌توانند الهام‌بخش روش‌های جدیدی برای طراحی کابل‌های فیبر نوری باشند که اجازه می‌دهند نور مسافت‌های طولانی را طی کند، حتی در دورها، بدون اینکه فرار کند و سیگنال را در طول مسیر از دست بدهد.”

مک‌کوی گفت: “صدف‌ها یک کار بسیار جالب انجام می‌دهند.” این تحقیق با حمایت‌های مالی از بنیاد ملی علوم (2109465، 1933624 و ECCS-2026822) انجام شده است.