נוצות טווס עשויות להיות לייזרים

לטווסים יש סוד החבוי בנוצות הזנב הצבעוניות שלהם: מבנים זעירים מחזירי אור שיכולים להגביר אור לאלומת לייזר. לאחר שצבעו את הנוצות והזינו אותן באנרגיה ממקור אור חיצוני, גילו החוקרים שהן פולטות אלומות צרות של אור לייזר צהוב-ירוק. הם אומרים שהמחקר, שפורסם החודש ב־Scientific Reports, מציג את הדוגמה הראשונה לחללים אופטיים בממלכת החי.

מטיאז' הומאר (Matjaž Humar), חוקר ביו-פוטוניקה מאוניברסיטת ליובליאנה שפרסם לאחרונה מחקר על לייזרים אכילים, מכנה את המחקר "חדשני ומעורר השראה". לדבריו, "זהו מקרה מרתק ואלגנטי של האופן שבו מבנים ביולוגיים מורכבים יכולים לתמוך ביצירת אור קוהרנטי".

לייזרים נוצרים כאשר מה שנקרא "חומר מגביר" ("gain medium"), לעיתים קרובות צבע, מוזן באנרגיה, שמעוררת את האלקטרונים שבו לרמות אנרגיה גבוהות יותר. כשהאלקטרונים הללו חוזרים לרמות אנרגיה נמוכות, הם משחררים את האנרגיה שלהם על ידי פליטת פוטונים באורכי גל מסוימים. פוטונים אלה, בתורם, יכולים לעורר אטומים שכנים מעוררים להירגע ולפלוט גם הם פוטונים.

האור מתגבר ומסתדר עוד יותר לאלומה קוהרנטית כאשר הוא מוחזר שוב ושוב בתוך חלל מחזיר אור. בלייזר רגיל, האלומה בסופו של דבר עוברת דרך מראה חלקית. אך בלייזר טבעי, מרקמים מיקרוסקופיים מחזירי אור יכולים לשמש כחללים שמגבירים ומשחררים אור בדרכים שונות.

מדענים ידעו זה מכבר שנוצות טווס מציגות גם "צבעוניות מבנית" - דרכו של הטבע ליצור גוונים מסנוורים ללא פיגמנטים. מיקרו-מבנים מסודרים בתוך הנוצות מחזירים אור בתדרים מסוימים, מה שמוביל לכחולים ולירוקים הבוהקים שלהן ולזוהר הססגוני. אך נתן דוסון (Nathan Dawson), פיזיקאי מאוניברסיטת פוליטכני בפלורידה, ועמיתיו, רצו להמשיך צעד נוסף ולראות אם אותם מיקרו-מבנים יכולים לשמש גם כחלל לייזר.

תמונה של עין הנוצה בזנב טווס, מוקפת בתרשימי ספקטרום ההחזרה עבור ארבעה אזורים צבעוניים נפרדים. כל ספקטרום כולל שני תצלומי מיקרוסקופ: אחד בהגדלה נמוכה ואחד בהגדלה גבוהה של אותו אזור צבע / Scientific Reports (Sci Rep) ISSN 2045-2322

לאחר שצבעו את הנוצות בצבע רגיל והזינו אותן בפולסים עדינים של אור, הם השתמשו במכשור מעבדתי כדי לאתר אלומות של אור לייזר צהוב-ירוק שהיו חלשות מכדי להיראות בעין בלתי מזוינת. הן יצאו מנקודות העין של הנוצות, בשני אורכי גל מובחנים. למרבה ההפתעה, חלקים שונים בצבעם של נקודות העין פלטו את אותם אורכי גל של אור לייזר, אף שלכאורה כל אזור אמור היה להיות שונה במבנה המיקרוסקופי שלו. אם מדובר בצירוף מקרים בלבד, זה "יהיה כמו להטיל שני קוביות של 100 פאות ולקבל תמיד 74 מאחת ו־83 מהשנייה", אומר דוסון.

מרקו חיראלדו (Marco Giraldo), ביופיזיקאי מאוניברסיטת אנטיוקיה החוקר צבעוניות מבנית, מציין שהמחקר לא מזהה את המיקרו-מבנים המדויקים שמייצרים את פעולת הלייזר. כדי להסביר את העקביות של האות, החללים בכל רחבי הנוצה היו צריכים להיות בעלי גדלים וצורות זהים בדיוק של תת-ננומטר. דבר זה שולל את החלקים החלולים של הנוצה, שהם מגוונים מדי, כמו גם את המבנים המיקרוסקופיים בצורת מוטות, הידועים כמפיקי הצבע המבני בנוצות הטווס. דוסון משער שמבנים קטנים ומובחנים אחרים בתוך הנוצות, ייתכן שגרגירי חלבון, הם אלה שפועלים כחלל הלייזר.

רק משום שנוצות טווס פולטות אור לייזר, אין פירוש הדבר שהציפורים עצמן עושות בו שימוש כלשהו. אך עדיין יש לכך השלכות, אומר דוסון. הוא מציע שחיפוש אחר אור לייזר בחומרים ביולוגיים יכול לסייע בזיהוי מערכים של מיקרו-מבנים סדירים בתוכם. ברפואה, למשל, עצמים זרים מסוימים - וירוסים בעלי צורות גאומטריות מובחנות, אולי יוכלו להיות מסווגים ומזוהים על בסיס יכולתם לתפקד כלייזרים, לדבריו.

העבודה הזו מדגימה גם כיצד חומרים ביולוגיים יכולים, ביום מן הימים, להניב לייזרים שיתאימו לשימוש בתוך גוף האדם בבטחה, לפליטת אור לצורכי חישה ביולוגית, דימות רפואי וטיפולים. "אני תמיד אוהב לחשוב שברבים מההישגים הטכנולוגיים שמועילים לאדם", אומר דוסון, "יש כבר אורגניזם כלשהו שפיתח אותם בעבר דרך תהליך אבולוציוני כלשהו".

מקורות:

• קטעים מ- Peacock feathers can be lasers מאת Science.org שנכתב ע"י: Rachel Berkowitz.

• קטעים מ- Mind-Blowing Discovery: Peacocks Have Lasers In Their Tails מאת ScienceAlert שנכתב ע"י: Mike McRae.

• קטעים מהמחקר- Spectral fingerprint of laser emission from rhodamine 6g infused male Indian Peafowl tail feather מאת Scientific Reports.