A new blue: 리본 테일 가오리의 푸른 반점

사진: Bluespotted ribbontail ray. Credit: Morgan Bennet Smith

연구진은 파란 점 가오리(Taeniura lymma)의 전기 파란색 반점을 담당하는 독특한 나노 구조를 발견했으며, 화학 물질을 사용하지 않는 색소를 개발하는 데 응용할 수 있습니다. 연구팀은 또한 청상어(Prionace glauca)의 수수께끼 같은 파란 색에 대해서도 지속적인 연구를 진행하고 있습니다. 이 연구는 “Ribbontail Stingray Skin Employs a Core–Shelf Photonic Glass Ultrastructure to Make Blue Structural Color(리본꼬리 가오리 피부는 코어 선반 광자 유리 초구조를 사용하여 파란색 구조적 색을 만듭니다.)”라는 제목의  Advanced Optical Materials 에 게재되었습니다. 피부색은 유기체의 의사소통에서 중요한 역할을 하며, 경고, 유인, 위장 등 생명에 중요한 시각적 단서를 제공합니다. 파란 점 리본꼬리 가오리는 피부에 눈에 띄는 전기 파란색 반점을 가지고 있습니다. 하지만 이러한 전기적 푸른 반점을 생성하는 생물학적 과정은 지금까지 미스터리였습니다.  “자연에서 파란색을 본다면 색소가 아니라 조직의 나노 구조에 의해 만들어진 것이라고 거의 확신할 수 있습니다.”라고 홍콩시립대학교(CityU)의 비교 해부학 부교수인 메이슨 딘은 말합니다. “동물의 구조적 색을 이해하려면 광학 물리학 뿐만 아니라 관련된 물질, 조직에서 어떻게 미세하게 조직되어 있는지, 동물의 환경에서 색이 어떻게 보이는 지에 대해서도 알아야 합니다. 이러한 모든 조각을 한데 모으기 위해 여러 나라의 전문가들로 구성된 훌륭한 팀을 구성하여 가오리의 색 퍼즐에 대한 놀랍고 재미있는 해답을 찾아냈습니다.”

구조적 색은 화학 안료의 산물이 아니라 빛을 조작하는 매우 작은 구조물에 의해 만들어집니다.

“파란색 안료는 극히 드물고 자연은 종종 나노 크기의 구조를 사용하여 파란색을 만들기 때문에 파란색이 특히 흥미롭습니다.”라고 시티유에서 천연 색소 메커니즘을 연구하는 박사후 연구원 빅토리야 캄스카(Viktoriia Kamska)는 말합니다. “특히 리본꼬리 가오리에 관심이 가는 이유는 다른 대부분의 구조적 색과 달리 다른 각도에서 봐도 파란색이 변하지 않기 때문입니다.” 연구팀은 다양한 자연 조건에서 피부 구조를 이해하기 위해 다양한 기술을 결합했습니다. 딘 박사는 “피부의 미세한 구조를 이해하기 위해 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(micro-CT), 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM)을 사용했습니다.”라고 설명합니다. 최근까지 딘의 그룹에서 박사후 연구원으로 일했고 현재는 트리니티 칼리지 더블린의 객원 학자인 아마르 수라파네니는 “우리는 파란색이 버블티에 매달린 진주처럼 반사 나노결정을 포함하는 나노 크기의 구체를 안정적으로 3D 배열한 독특한 피부 세포에서 생성된다는 사실을 발견했습니다.”라고 말합니다. “나노 구조의 크기와 간격은 파란색 광 파장의 유용한 배수이기 때문에 파란색 파장을 특별히 반사하는 경향이 있습니다.”

푸른 상어. 크레딧: 빅토리야 캄스카

흥미롭게도 연구팀은 구의 독특한 ‘준정렬’ 배열이 시야각에 따라 색이 변하지 않도록 하는 데 도움이 된다는 사실을 발견했습니다. “그리고 불필요한 색을 정리하기 위해 색을 생성하는 세포 아래에 있는 두꺼운 멜라닌 층이 다른 모든 색을 흡수하여 매우 밝은 파란색 피부를 만들어냅니다.”라고 딘 박사는 설명합니다. “결국 두 가지 세포 유형은 훌륭한 협업으로 구조적 색소 세포는 파란색에 집중하고 멜라닌 색소 세포는 다른 파장을 억제하여 매우 밝은 파란색 피부를 만들어냅니다. “연구팀은 이 매혹적인 파란색이 가오리에게 위장의 이점을 제공할 수 있을 것으로 보고 있습니다. 딘 박사는 “물속에서 파란색은 다른 어떤 색보다 깊숙이 투과되어 동물이 주변 환경과 조화를 이룰 수 있도록 도와줍니다.”라고 말합니다. “가오리의 밝은 파란색 피부 반점은 시야각에 따라 변하지 않으므로, 동물이 헤엄치거나 물결치는 날개로 빠르게 기동할 때 위장에 특별한 이점이 있을 수 있습니다.”

현재 연구 중인 이 연구의 응용 분야에는 생체에서 영감을 받은 색소가 없는 컬러 소재가 포함됩니다.

딘 박사는 “가오리 피부의 부드러운 특성에서 영감을 받은 유연한 생체 모방 구조 컬러 시스템을 개발하여 섬유, 플렉서블 디스플레이, 스크린 및 센서에 화학 물질이 없는 안전한 컬러를 적용하기 위해 동료 연구자들과 협력하고 있습니다.”라고 말합니다.

캄스카 박사와 그녀의 팀은 가오리 연구뿐만 아니라 청상아리를 포함한 다른 가오리와 상어의 푸른색에 대해서도 조사하고 있습니다.

캄스카 박사는 “청상아리의 이름과 생태학적 측면은 잘 알려져 있지만, 청상아리의 피부에서 푸른 색이 어떻게 생성되는지는 아직 아무도 알지 못합니다.”라고 말합니다. “예비 연구 결과에 따르면 이 착색 메커니즘은 가오리와는 다르지만 가오리와 마찬가지로 다양한 미세 이미징 도구의 조합을 시도하고 광학, 재료 및 생물 과학의 여러 관련 분야를 다루어야 합니다.”라고 말합니다.

“중간 필라멘트가 세포 내 나노구조를 공간적으로 조직화하여 발생학 전반에 걸쳐 리본꼬리 가오리의 밝은 구조적 파란색을 생성합니다.”라는 제목의 논문이 Frontiers in Cell and Developmental Biology에 게재될 예정입니다.

이 연구는 2024년 7월 2일부터 5일까지 프라하에서 열리는 실험생물학회 연례 컨퍼런스에서 발표될 예정입니다.

추가 정보: Venkata A. Surapaneni 외, 리본꼬리 가오리 피부는 코어-쉘 광자 유리 초구조를 사용하여 파란색 구조적 색상을 만듭니다, Advanced Optical Materials (2024). DOI: 10.1002/adom.202301909