Tým vědců s významným španělským zastoupením právě prokázal, že vyvíjející se sítnice mouchy funguje jako sofistikovaná mozaika trojúhelníků, jejichž uspořádání v rovině s pozoruhodnou přesností určuje trojrozměrné zakřivení oka hmyzu.
Tento objev, publikovaný v časopise Nature Communications, představuje podle autorů první popsaný programovatelný přírodní metamateriál: materiál, jehož vlastnosti nezávisí pouze na chemickém složení, ale také na geometrickém uspořádání jeho složek.
Mozaika, která programuje zrak
Během metamorfózy mouchy se oční tkáň v oku uspořádává do trojúhelníkových struktur různých velikostí, podobných dlaždicím klasické mozaiky. Spoluautor Juan Garrido García to vysvětluje takto: „Zjistili jsme, že oko mouchy má architektonický ‚plán‘ ve 2D, který předurčuje jeho konečný tvar ve 3D.“ Představme si, že bychom mohli toto oko rozříznout a rozložit jako plochý list na stůl: rozložení trojúhelníků, které bychom pozorovali, by určovalo tvar, jaký oční bulva nabude, jakmile se naplní tekutinou, podobně jako povrch vodního balónku určuje jeho vzhled při nafouknutí.
Odborníci upozorňují, že k finálnímu trojrozměrnému vzhledu oka přispívají i další faktory, jako jsou vlastnosti extracelulární matrice, aktomyosin nebo lokální tuhost tkání. I tak se však dvourozměrná struktura ukazuje jako mimořádně přesný prediktor zakřivení oka a v důsledku toho i zrakové schopnosti hmyzu.
Rovné oblasti pro lov ovoce, zakřivené oblasti pro útěk před predátory
Evoluční výhoda tohoto uspořádání je zřejmá. Garrido upřesňuje, že „tato rovina umožňuje, aby oko mouchy mělo plošší oblasti s vyšší zrakovou ostrostí (například k identifikaci plodů, na nichž roste její oblíbená potrava, kvasinky, nebo k nalezení partnera), a jiné, více zakřivené, s nižším rozlišením, ale s panoramatickým výhledem, které slouží k detekci predátorů“.
To vše v nepředstavitelně malém měřítku. Jak Garrido zdůrazňuje: „Dalším překvapivým aspektem je velikost: oko mouchy má průměr přibližně 0,5 milimetru. Metamateriálová povaha vyvíjejícího se oka umožňuje přesnou kontrolu tvaru oka v tomto nepatrném měřítku.“
Andaluský tým stojící za objevem
Příroda nedisponuje návody k použití ani průmyslovými formami. Buňky mají k dispozici sekvenci čtyř různých molekul, které se po přeměně na proteiny správně složí, aby získaly určité funkce, které v kombinaci dávají „tvar“ živým bytostem, jaké známe. Jedná se o slepý a náhodný proces, což činí ještě více fascinujícím fakt, že tkáně dokážou růst ve správném směru a tvaru, bez forem, jaké používá průmysl, a samozřejmě bez návodů.
Právě proto je při hledání efektivity nutné pozorovat přírodu. Ze studia toho, jak se tvoří biologické tkáně, vzešla řada technologií inspirovaných přírodou a v oku mouchy se zdá, že tato skupina vědců našla obzvláště poučný příklad. Mezi autory práce patří Luis M. Escudero, Juan Garrido García, Jesús A. Andrés San Román a José A. Sanz Herrera, všichni čtyři působící na Univerzitě v Seville a v IBiS, spolu s Jesúsem Torresem Tiradem a Fernandem Casaresem z CABD (CSIC/Univerzita Pablo de Olavide/Junta de Andalucía).
První přírodní metamateriál, který by bylo možné přeprogramovat
Výzkumníci zdůrazňují, že ačkoli příroda skrývá četné metamateriály, tedy materiály, jejichž vlastnosti vyplývají z jejich vnitřní struktury a nikoli pouze ze složení, tento případ je jedinečný. Velmi zjednodušeně řečeno, existují i jiné přírodní metamateriály, ale u tohoto známe mechanismy, které jej utvářejí, a proto je možná v budoucnu budeme moci libovolně měnit za účelem syntézy nových metamateriálů. To z něj podle týmu činí první programovatelný přírodní metamateriál.
Směrem k syntetické morfogenezi
Hodnota tohoto objevu spočívá především v jeho přínosu pro základní vědu. Embryologie nám umožňuje pochopit, jak se organismy budují, a může otevřít cestu k aplikacím, které si zatím dokážeme jen těžko představit. Samotní výzkumníci naznačují, že tato studie pokládá základy syntetické morfogeneze, disciplíny, která se snaží geneticky programovat buňky za účelem navrhování živých tkání s přizpůsobenými tvary, například pro použití v regenerativní medicíně.
Je však třeba zachovat opatrnost. Článek neposkytuje všechny odpovědi ani nutně nepředstavuje zlomový bod: autoři totiž nedokázali daný metamateriál přeprogramovat. Nabízí však jasný, funkčně relevantní a dobře zdokumentovaný příklad – přesně ten typ příspěvku, který tyto nově vznikající obory potřebují, aby se mohly posunout vpřed. „Biologie nás opět překvapuje tím, že již miliony let využívá mechanismy, které pro nás představují špičku technologického pokroku,“ uzavírá Garrido.