[PHYS ORG] 깃털 구조의 나노 스케일 조정과 연결된 새의 눈부신 무지개 빛깔

위 사진 : 프린스턴 연구원들이 주도한 연구에 따르면 공작과 벌새와 같은 새를 매우 눈에 띄게 만드는 무지개 빛깔의 반짝임은 새가 표시할 수 있는 무지개 빛깔의 색상 범위를 두 배 이상 늘린 깃털 나노구조의 진화적 변형에 뿌리를 두고 있습니다. 사진은 연구에 포함된 무지개 빛깔의 종 중 하나인 흰턱자카마르(Galbula tombacea)입니다. 출처: David Ocampo, Princeton University 생태 및 진화 생물학과>

공작새와 벌새와 같은 새들의 화려한 무지개 빛깔을 만들어내는 천연 나노 구조는 매우 복잡하여 사람들이 이제 막 기술적으로 복제하기 시작했을 뿐입니다. 프린스턴 대학교 연구진이 주도하고 eLife 저널에 게재된 연구에 따르면 새가 이렇게 화려한 색을 내는 비결은 깃털의 나노 크기 설계의 핵심적인 특징에 있습니다.

연구진은 깃털 나노 구조에서 새가 표현할 수 있는 무지개 빛깔의 범위를 두 배 이상 늘릴 수 있는 진화적 변화를 발견했습니다. 이러한 통찰력은 연구자들이 새의 화려한 무지개 빛깔이 언제 어떻게 진화했는지 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 빛을 포착하거나 조작할 수 있는 새로운 재료의 엔지니어링에 영감을 줄 수 있습니다.

무지개 빛깔의 새가 움직일 때 깃털의 작은 나뭇가지 같은 필라멘트에 있는 나노 크기의 구조물(바불이라고 알려진)이 빛과 상호작용하여 보는 각도에 따라 특정 파장을 증폭시킵니다. 이 무지개 빛깔을 구조적 착색이라고 하는데, 결정체와 같은 나노 구조가 빛을 조작합니다.

“무지개 빛깔의 깃털에서 하나의 가시를 떼어내어 단면을 만들고 전자 현미경으로 관찰하면 회색 기질 안에 검은 점, 때로는 검은 고리 또는 혈소판으로 이루어진 정돈된 구조를 볼 수 있습니다.”라고 프린스턴의 생태 및 진화 생물학 부교수이자 프린스턴 하이 메도우 환경 연구소(HMEI)의 관련 교수인 선임 저자 Mary Caswell Stoddard의 실험실에서 박사 학위를 받은 클라라 노르덴(Klara Nordén)은 말합니다. “검은 점은 멜라노좀이라고 불리는 색소로 채워진 주머니이며, 그 주위를 둘러싼 회색은 깃털 각질입니다. 저는 이 나노 크기의 구조가 만들어내는 색만큼이나 아름답다고 생각합니다.”

흥미롭게도 멜라노좀 구조는 다양한 모양으로 존재합니다. 막대 모양이나 혈소판 모양, 단단하거나 속이 비어 있을 수 있습니다. 예를 들어 벌새는 속이 빈 혈소판 모양의 멜라노좀을 가지고 있는 반면, 공작새는 막대 모양의 멜라노좀을 가지고 있습니다. 하지만 새가 왜 이렇게 다양한 유형의 멜라노좀을 가진 무지개빛 나노구조를 진화시켰는지는 미스터리였으며, 과학자들은 어떤 멜라노좀 유형이 다른 멜라노좀 유형보다 광범위하고 생생한 색을 생성하는 데 더 나은지 확신하지 못했습니다.

이 질문에 답하기 위해 연구진은 진화 분석, 광학 모델링 및 깃털 측정을 결합하여 무지개 빛깔의 깃털 나노 구조 뒤에 숨겨진 일반적인 설계 원리를 밝혀낼 수 있었습니다.

사진은 녹색 은둔자(Phaethornis 녀석)의 무지개 빛깔의 꼬리입니다. 연구자들은 깃털의 작은 가지 모양의 필라멘트 내의 얇은 멜라닌 층이 빛과 상호 작용하여 시야각에 따라 특정 파장을 증폭한다는 것을 발견했습니다. 이 통찰력은 연구원들이 새에서 무지개 빛깔이 처음 진화한 방법과 시기를 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 빛을 포착하거나 조작할 수 있는 새로운 재료의 개발에 영감을 줄 수 있습니다. 출처: David Ocampo, Princeton University 생태 및 진화 생물학과

사진은 녹색 은둔자(Phaethornis 녀석)의 무지개 빛깔의 꼬리입니다. 연구자들은 깃털의 작은 가지 모양의 필라멘트 내의 얇은 멜라닌 층이 빛과 상호 작용하여 시야각에 따라 특정 파장을 증폭한다는 것을 발견했습니다. 이 통찰력은 연구원들이 새에서 무지개 빛깔이 처음 진화한 방법과 시기를 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 빛을 포착하거나 조작할 수 있는 새로운 재료의 개발에 영감을 줄 수 있습니다. 출처: David Ocampo, Princeton University 생태 및 진화 생물학과

노르덴과 스토다드는 공동 저자인 필드 박물관의 박사후 연구원 채드 엘리아슨과 협력하여 먼저 문헌을 조사하고 300종 이상의 조류에 대해 설명된 모든 무지개빛 깃털 나노구조의 데이터베이스를 작성했습니다. 그런 다음 새의 가계도를 사용하여 어떤 그룹이 다양한 멜라노좀 유형을 진화시켰는지 설명했습니다.

무지개 빛깔의 깃털 나노 구조에는 크게 다섯 가지 유형의 멜라노좀이 있습니다: 두꺼운 막대, 얇은 막대, 속이 빈 막대, 혈소판, 속이 빈 혈소판입니다. 두꺼운 막대를 제외한 모든 멜라노좀 유형은 화려한 색의 깃털에서 발견됩니다. 조상 멜라노좀 유형은 막대 모양이기 때문에 이전 연구에서는 무지개 빛깔의 구조에 고유한 두 가지 명백한 특징에 초점을 맞췄습니다: 혈소판 모양과 속이 비어 있는 내부.

그러나 연구진은 조사 결과를 평가하면서 간과되었던 세 번째 멜라노좀의 특징, 즉 얇은 멜라닌 층이 있다는 사실을 깨달았습니다. 무지개빛 깃털에 있는 네 가지 멜라노좀 유형(얇은 막대, 속이 빈 막대, 혈소판, 속이 빈 혈소판)은 모두 두꺼운 막대로 구성된 구조보다 훨씬 얇은 얇은 멜라닌 층을 만듭니다. 노르덴은 구조의 층 크기가 생생한 색상을 생성하는 데 중요하기 때문에 이 점이 중요하다고 말합니다.

“이론에 따르면 멜라닌 층이 새가 볼 수 있는 스펙트럼에서 매우 강렬한 색상을 생성하기에 적당한 두께인 일종의 골디락스 영역이 있다고 합니다.”라고 그녀는 말했습니다. “우리는 얇은 막대, 혈소판 또는 속이 빈 형태가 훨씬 더 큰 조상 멜라노좀 크기인 두꺼운 막대에서 이상적인 두께에 도달하는 대체 방법이 될 수 있다고 생각했습니다.”

연구진은 뉴욕의 미국 자연사 박물관에 있는 조류 표본을 대상으로 다양한 멜라노좀 유형의 나노 구조에서 나타나는 무지개 빛깔의 새 깃털 색상을 측정하여 아이디어를 테스트했습니다. 또한 광학 모델링을 사용하여 다양한 유형의 멜라노좀으로 생성할 수 있는 색상을 시뮬레이션했습니다. 이러한 데이터를 통해 연구진은 얇은 멜라닌 층, 혈소판 모양, 속이 빈 곳 등 어떤 특징이 색의 범위와 강도에 가장 큰 영향을 미치는지 확인했습니다. 광학 모델링과 깃털 분석 결과를 종합한 결과, 연구진은 멜라노솜의 모양에 관계없이 얇은 멜라닌 층이 무지개빛 깃털이 만들어낼 수 있는 색상의 범위를 거의 두 배 가까이 늘린다는 사실을 확인했습니다.

스토다드는 “멜라노솜이 얇은 멜라닌 층으로 배열될 수 있다는 이 중요한 진화적 돌파구는 새에게 새로운 색채 생성의 가능성을 열어주었습니다.”라고 말했습니다. “다양한 멜라노좀 유형은 유연한 나노 구조 툴킷과 같아서 같은 목적지에 도달하는 다양한 경로를 제공합니다: 얇은 멜라닌 층이 만들어내는 화려한 무지개 빛깔이 바로 그것입니다.”

무지개 빛깔의 깃털의 나노 구조(왼쪽) 안에 멜라노솜이라고 하는 다섯 가지 기본 유형(아래 줄)이 있습니다. 두꺼운 막대기는 갈색머리 잉꼬(맨 위 줄, 왼쪽)와 같이 무지개 빛깔이 약한 새에서 발견되는 반면 다른 모든 유형은 화려한 무지개 빛깔을 냅니다. 연구원들은 화려한 무지개 빛깔과 관련된 네 가지 멜라노솜 유형이 다른 새 종들이 표시할 수 있는 색상의 범위를 크게 증가시키기 위해 딱 알맞은 두께의 뚜렷한 멜라닌 층(두 번째 줄)을 발달시켰다는 것을 발견했습니다. Durrer(1977)에서 가져온 현미경 이미지. 크레딧: Klara Nordén, Princeton University 생태 및 진화 생물학과

이것이 무지개 빛깔의 나노 구조에 매우 다양한 종류의 멜라노좀이 존재하는 이유를 설명할 수 있습니다. 무지개 빛깔의 나노 구조는 여러 조류 그룹에서 여러 번 진화했을 가능성이 높지만, 우연히도 얇은 멜라닌 층은 두꺼운 막대에서 다른 방식으로 진화했을 가능성이 높습니다. 일부 그룹은 멜라노좀을 평평하게 만들어(혈소판 생성) 얇은 멜라닌 층을 진화시켰고, 다른 그룹은 멜라노좀 내부를 비워(속이 빈 형태 생성), 또 다른 그룹은 막대의 크기를 줄여(얇은 막대 생성) 얇은 멜라닌 층을 진화시켰습니다.

노르덴은 이 연구 결과가 선사 시대 동물의 화려한 무지개빛을 재구성하는 데 사용될 수 있다고 말했다. 멜라노좀은 화석 깃털에 수백만 년 동안 보존될 수 있기 때문에 고생물학자들은 화석화된 멜라노좀의 크기를 측정하여 새와 공룡의 원래 깃털 색, 심지어 무지개 빛깔을 유추할 수 있습니다.

“예를 들어, 마이크로랩터의 깃털에서 발견된 두꺼운 단단한 막대를 보면 이 깃털 달린 용각류는 공작새보다는 찌르레기의 깃털에 훨씬 더 가까운 무지개 빛깔의 깃털을 가졌을 가능성이 높다고 말할 수 있습니다.”라고 노르덴은 설명합니다.

새 깃털의 멜라노좀과 케라틴 구성은 빛을 효율적으로 포착하거나 조작할 수 있는 첨단 무지개 빛깔의 나노 구조를 설계하거나 염료나 안료가 필요 없는 친환경 페인트를 생산하는 데 사용할 수 있는 단서를 제공할 수 있습니다. 밴타블랙과 같은 슈퍼블랙 코팅은 빛을 반사하는 대신 흡수하고 분산시키는 나노구조를 사용하는데, 이는 파라디새과에 속하는 종의 검은 깃털과 유사합니다.

노르덴은 무지개 빛깔의 깃털이 다기능 소재에 대한 이해를 더욱 풍부하게 해줄 수 있다고 말했습니다. 단일 기능을 위해 개발되는 인공 재료와 달리 천연 재료는 본질적으로 다목적입니다. 멜라닌은 무지개빛깔을 내는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 위험한 자외선으로부터 새를 보호하고 깃털을 강화하며 미생물 성장을 억제합니다.

노르덴은 “만약 다양한 종류의 멜라노좀이 처음에 무지개 빛깔과 무관한 이유, 예를 들어 깃털을 기계적으로 더 강하게 만들거나 미생물의 공격에 더 강하게 저항하기 위해 진화했다면 어땠을까요?”라고 말합니다. “이러한 질문은 우리가 다음에 해결하기를 기대하는 몇 가지 질문입니다.”

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