Kemampuan Canggih Kamuflase Cumi-Cumi Untuk Prajurit Tempur

Penelitian dari University of California – Santa Barbara mengungkap Kemampuan luar biasa cumi-cumi untuk menyesuaikan warna.

Selain menjadi legenda, cumi-cumi terus membuat orang penasaran para ilmuan saat ini, profesor UC Santa Barbara Daniel Morse untuk alasan yang sama, meskipun lebih ilmiah. Setelah berevolusi selama ratusan juta tahun untuk berburu, berkomunikasi, menghindari pemangsa, dan kawin di perairan terbuka yang luas dan seringkali tidak memiliki ciri, cumi-cumi telah mengembangkan beberapa kulit tercanggih di dunia hewan.

“Selama berabad-abad, orang takjub dengan kemampuan cumi-cumi mengubah warna dan pola kulit mereka dengan indah untuk komuflase dan komunikasi bawah air, memberi isyarat satu sama lain dan spesies lain untuk menjauh, atau untuk membuat ketertarikan untuk kawin “kata Morse, Profesor Emeritus Biokimia dan Genetika Molekuler Terkemuka.

Seperti sepupu cephalopoda mereka, gurita dan sotong, cumi-cumi memiliki sel-sel khusus berisi pigmen yang disebut chromatophores yang mengembang untuk memaparkannya ke cahaya, menghasilkan berbagai corak warna pigmen. Yang menarik bagi Morse adalah kemampuan cumi-cumi untuk berkilauan dan berkedip, memantulkan warna yang berbeda dan memecah cahaya di kulit mereka. Ini adalah efek yang dianggap meniru cahaya belang-belang samudra bagian atas msnjadi satu-satunya fitur di pemandangan laut yang mencolok. Dengan memahami bagaimana cumi-cumi berhasil memudar menjadi latar belakang yang paling sederhana – atau menonjol, peneliti berharap dapat meniru menghasilkan bahan dengan sifat penyetelan cahaya yang sama untuk berbagai aplikasi.

Morse membuka rahasia kulit cumi-cumi selama dekade terakhir, dan dengan dukungan dari Kantor Riset Angkatan Darat dan penelitian dan studinya diterbitkan dalam jurnal Applied Physics Letters, dia dan rekan penulis Esther Taxon semakin dekat untuk mengungkap mekanisme kompleks yang yang mendasari kulit cumi-cumi.

Pada penelitian sebelumnya yang terbit di nature comunication, para peneliti membiakkan sel-sel ginjal embrionik manusia dan secara genetik merekayasa mereka untuk mengekspresikan reflectin. Mereka menemukan bahwa protein berkumpul menjadi partikel di sitoplasma sel dalam susunan yang tidak teratur. Mereka juga melihat melalui mikroskop optik dan spektroskopi bahwa struktur berbasis reflectin yang diperkenalkan menyebabkan sel-sel mengubah hamburan cahaya mereka.

Mekanisme yang Elegan

“Apa yang kami temukan adalah bahwa cumi-cumi tidak hanya mampu menyesuaikan warna cahaya yang dipantulkan, tetapi juga kecerahannya,” kata Morse. Penelitian sejauh ini telah menetapkan bahwa protein tertentu yang disebut reflektin bertanggung jawab atas permainan warna, tetapi kemampuan cumi-cumi untuk menyesuaikan kecerahan cahaya yang dipantulkan masih merupakan misteri, katanya.

Penelitian sebelumnya oleh Morse telah menemukan struktur dan mekanisme di mana iridosit sel yang memantulkan cahaya di kulit cumi-cumi pantai opalescent (Doryteuthis opalescens) dapat mengambil hampir setiap warna pelangi. Itu terjadi dengan membran sel, di mana ia melipat menjadi struktur seperti akordeon berskala nano yang disebut lamellae, membentuk alur eksterior kecil selebar subwavelength.

“Struktur alur kecil itu seperti yang kita lihat di sisi ukiran compact disc,” kata Morse. Warna yang dipantulkan tergantung pada lebar alur, yang sesuai dengan panjang gelombang cahaya (warna) tertentu. Dalam iridosit cumi-cumi, lamellae ini memiliki fitur tambahan yaitu mampu mengubah bentuk, memperlebar dan mempersempit alur tersebut melalui tindakan “motor osmotik” yang disetel dengan sangat baik yang digerakkan oleh protein reflektin yang mengembun atau menyebar di dalam lamellae.

Sementara sistem bahan yang mengandung protein reflektin mampu mendekati perubahan warna warna-warni yang mampu dilakukan cumi-cumi, upaya untuk mereplikasi kemampuan untuk mengintensifkan kecerahan pantulan ini selalu gagal, menurut para peneliti, alasannya bahwa sesuatu harus digabungkan dengan reflektin di kulit cumi-cumi, memperkuat efeknya.

Sesuatu itu ternyata adalah selaput yang menutupi reflektin ‘lamellae’, struktur yang sama yang bertanggung jawab atas alur yang membagi cahaya menjadi warna penyusunnya.

“Evolusi telah dengan begitu indahnya mengoptimalkan tidak hanya penyetelan warna, tetapi penyetelan kecerahan menggunakan bahan yang sama, protein yang sama, dan mekanisme yang sama,” kata Morse.

Bagaimana ini dimulai?
Semuanya dimulai dengan sinyal, denyut saraf dari otak cumi-cumi.

“Reflektin biasanya bermuatan sangat positif,” kata Morse tentang protein warna-warni, yang, jika tidak diaktifkan, terlihat seperti untaian manik-manik. Tuduhan mereka yang sama berarti mereka saling tolak.

Tapi itu bisa berubah ketika sinyal saraf menyebabkan reflektin mengikat gugus fosfat bermuatan negatif yang menetralkan muatan positif. Tanpa tolakan yang menjaga protein dalam keadaan tidak teratur mereka melipat dan menarik satu sama lain, terakumulasi menjadi lebih sedikit, agregasi lebih besar di lamellae.

Agregasi ini memberikan tekanan osmotik pada lamellae, membran semipermeabel yang dibangun untuk menahan hanya begitu banyak tekanan yang diciptakan oleh penggumpalan reflektin sebelum melepaskan air ke luar sel.

“Air keluar dari struktur seperti akordeon, dan itu meruntuhkan akordeon sehingga ketebalan jarak antara lipatan berkurang, dan itu seperti mendekatkan alur compact disc,” jelas Morse. “Jadi cahaya yang dipantulkan bisa bergeser secara progresif dari merah ke hijau ke biru.”

Pada saat yang sama, keruntuhan membran memusatkan reflektin, menyebabkan peningkatan indeks biasnya, yang memperkuat kecerahan. Tekanan osmotik, motor yang menggerakkan penyetelan sifat optik ini, memasangkan lamellae dengan erat ke reflektin dalam hubungan yang sangat terkalibrasi yang mengoptimalkan keluaran (warna dan kecerahan) ke masukan (sinyal saraf). Hapus sinyal saraf dan fisika berbalik, kata Morse.

“Ini adalah cara tidak langsung yang sangat cerdas untuk mengubah warna dan kecerahan dengan mengendalikan perilaku fisik dari apa yang disebut sifat koligatif – tekanan osmotik, sesuatu yang tidak langsung terlihat, tetapi mengungkapkan kerumitan proses evolusi, mutasi ribuan tahun. dan seleksi alam yang telah mengasah dan mengoptimalkan proses ini bersama-sama. “

Kehadiran membran mungkin merupakan link penting untuk pengembangan film tipis yang diinspirasi secara biologis dengan kapasitas penyetelan optik cumi-cumi pantai opalescent.

“Penemuan peran kunci yang dimainkan membran dalam menyetel kecerahan pantulan memiliki implikasi yang menarik untuk desain bahan buihybrid masa depan dan pelapis dengan sifat optik merdu yang dapat melindungi tentara dan peralatan mereka,” kata Stephanie McElhinny, manajer program di Kantor Penelitian Angkatan Darat, sebuah elemen dari Laboratorium Penelitian Angkatan Darat Komando Pengembangan Kemampuan Tempur Angkatan Darat AS.

Menurut para peneliti, “Kopling reflektin penguat osmotik yang diasah secara evolusioner dan efisien ini sangat mirip dengan kopling impedansi yang cocok dari jaringan penguat-transduser-penggerak dalam sistem elektronik, magnet, mekanis, dan akustik yang direkayasa dengan baik.” Dalam hal ini aktivator akan menjadi sinyal saraf, sedangkan reflektin bertindak sebagai transduser dan membran yang dikendalikan secara osmotik berfungsi sebagai penguat.

“Tanpa membran yang mengelilingi reflektin, tidak ada perubahan kecerahan untuk film tipis buatan ini,” kata Morse, yang bekerja sama dengan rekan teknik untuk menyelidiki potensi lapisan tipis yang lebih mirip kulit cumi-cumi. “Jika kita ingin menangkap kekuatan biologis, kita harus menyertakan semacam selubung mirip membran untuk memungkinkan penyetelan kecerahan yang dapat dibalik.”

Jurnal Referensi:

• Daniel E. Morse, Esther Taxon. 2021. Reflectin needs its intensity amplifier: Realizing the potential of tunable structural biophotonics. Applied Physics Letters, 2020; 117 (22): 220501 DOI: 10.1063/5.0026546