长鳍近岸鱿鱼拥有一双特殊的眼睛。图片来源：由J Cai et al / Science。

鱿鱼和鱼类的眼睛是进化的奇迹，能够利用有限的光照看到明亮、清晰的图像。然而，关于它们是如何做到这一点的则一直是个谜。目前，美国的研究人员已经分析了普通鱿鱼眼球中的晶状体，并发现不同细胞中的蛋白质以不同的浓度凝胶化，使其眼中形成能够消除像差的折射率梯度。该研究有助于生产自组装纳米粒子。

一个完美的透镜应该能够将所有平行的入射波聚焦在一个点上。在球面透镜中，波前入射到透镜的边缘的角度比起入射到透镜中心的角度要大得多。因此，入射到透镜边缘的波被折射的更多，并形成相近的焦点，称为球面像差。人类和其他一些陆栖动物的眼睛已经进化出非球面的晶状体以消除这些畸变。费城宾夕法尼亚州立大学生物物理学家Alison Sweeney解释道：“我们的眼睛并不那么敏感，但是考虑到我们生活在阳光充足的地方，这是一个不错的权衡。”然而，在海洋中光线较暗的情况下，捕获每一个可能的光子变得至关重要。

麦克斯韦（James Clerk Maxwell）于1854年表明，通过制造一种具有从中心向边缘减小的梯度折射率透镜，可以消除球面像差，使得入射到靠近透镜中心的波前获得更高的折射率。随后，生物学家发现，鱼类和头足类动物（包括鱿鱼和章鱼）的眼球都具有梯度折射率，但是尚不清楚它们是如何形成的。

蛋白质梯度

眼球中晶状体的折射率主要取决于蛋白质的浓度。因此，保持折射率梯度即保持浓度梯度，而不是使蛋白质浓度随机变化或粘附在一起成为团块，这两者都可能出现散射光同时使透镜变得模糊。

Sweeney和他的同事们将长鳍近岸鱿鱼眼球中的晶状体解剖成四个同心层。他们已经证实，每一层的折射率从最外层的1.34增加到中心的1.6左右，与麦克斯韦的理想球面透镜一致。他们以此计算出，晶状体的最外层是仅含有4％蛋白质的富水凝胶，而最内层是不含游离水的蛋白质密集网络。

该团队分离了信使RNA，这是细胞用来触发特定蛋白质构建的一种分子，来表示每个透镜部分中的蛋白质混合物。Sweeney表示，鱿鱼晶状体中的蛋白质具有一种“能灵活地将蛋白质附着到空间中的链接”。研究人员总结出40多种不同的蛋白质。Sweeney说道：“晶状体中任何位置上的蛋白质混合物似乎都很复杂”。然而，这种链接的长度往往朝着镜片的外侧增加。该小组表明，它曾经被用于分子间的链接，但其功能以前一直无法解释。

链接结构

该团队使用多种独立的分析技术得出结论，在晶状体的边缘，每个蛋白质分子仅与其他两个蛋白质分子结合，形成具有偶尔交叉的长蛋白质链。然而，在晶状体的中心部分，每个蛋白质能够与近六个蛋白质结合，形成一个密集的网络。该团队认为，最外层分子之间以极低的浓度形成链接，使溶液以非常低的密度凝胶化。而位于中心部分的短链分子必须更密集地结合以形成凝胶。研究人员假设，当蛋白质凝胶化时，每个细胞会停止蛋白质的合成，从而允许其达到处于该位置的合适的密度和折射率。

然而，Sweeney对于这一发现的直接光学应用持怀疑态度，然而她也认同自然可以教给工程师更多关于如何组装纳米粒子的常规经验。Sweeney说道：“任何人都可以从纳米颗粒中制造出厘米级的材料，其中所有的纳米颗粒都是有序的，这正是鱿鱼的眼球所做到的事情。我们可以从这些使得鱿鱼眼球的晶状体从纳米尺寸的蛋白质中制造出大量有序物质的遗传编码的链接中学到什么？”

澳大利亚格拉茨医科大学（Medical University of Graz）结构生物学家Tobias Madl认为：“鱿鱼和鱼类如何实现这样一个完美的镜头是一个已经存在相当一段时间的研究话题了，原则上这是第一个解释它如何工作的说法。他说，奥地利目前有大量的蛋白质需要确认，“可能不是每个RNA都被转录成蛋白质。”

自然选择

罗马大学物理学家Francesco Sciortino认为这是一项“杰出”的工作。Allison及其同事们表示：“在罗马，我们已经形成了新的能够解释一些系统形成稳定凝胶能力的概念，自然选择已经能够利用我们最近才开始了解的一些特殊物理学现象。”

该研究发表于《科学》（Science）。

来源： http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/aug/21/squid-see-clearly-in-low-light-using-linked-proteins

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