Mikroskopická stavba perleti

Mimořádný materiál mimořádné konstrukce

Měkkýši vytvářejí skořápky, aby chránili své měkké tkáně před predátory. Nacre, perleť, má složitou, velmi pravidelnou strukturu, která z ní dělá neuvěřitelně silný materiál. V závislosti na druhu mohou vlákna elementů perleti dosahovat délky desítek centimetrů. Bez ohledu na velikost je každá perleť postavena z materiálů složených z velkého množství jednotlivých buněk ukozvených na více různých místech současně. Jak přesně tato vysoce periodická a jednotná struktura vychází z počáteční poruchy, nebylo dosud známo.

Tvorba perleti začíná nekoordinovaně tak, že buňky ukládají materiál současně na různých místech. Není divu, že raná perleťová struktura není příliš pravidelná. V tomto okamžiku je plná vad. „Na samém začátku je vrstvená minerálně-organická tkáň plná strukturálních poruch, které se šíří několika vrstvami jako spirála. Ve skutečnosti vypadají jako točité schodiště s orientací pro praváky i leváky,“ říká Dr. Igor Zlotnikov, vedoucí výzkumné skupiny v B CUBE – Centru pro molekulární bioinženýrství na TU Dresden. „Úloha těchto defektů při tvorbě takové periodické tkáně nebyla nikdy prozkoumána. Na druhé straně je na konci procesu růstu zralá perleť bez defektů s pravidelnou jednotnou strukturou. Jak by mohla z takové poruchy vzniknout dokonalost?“

Vědci ze skupiny dr. Zlotnikova spolupracovali s Evropským synchrotronovým radiačním zařízením (ESRF) v Grenoblu, aby se velmi podrobně podívali na vnitřní strukturu rané a zralé perleti. Pomocí holografické rentgenové nano tomografie založené na synchrotronech mohli vědci zachytit růst perleti v průběhu času. „Nacre je extrémně jemná struktura s organickými částicemi menšími než 50 nm. „Kombinace hustých a vysoce periodických anorganických destiček s jemnými a štíhlými organickými rozhraními dělá z perleti náročnou strukturu pro obraz. Kryogenní zobrazování nám pomohlo získat potřebnoé rozlišení,“ vysvětluje Dr. Pacureanu ze skupiny rentgenových nanoprocesů ESRF.

Vědci vyvinuli segmentační algoritmus pomocí neuronových sítí a trénovali jej k oddělení různých vrstev perleti. Tímto způsobem byli schopni sledovat, co se stane se strukturálními vadami, a jak roste perleť. Chování strukturálních defektů v rostoucí perleti bylo překvapivé. Poruchy opačného směru spirály ulity byly k sobě přitahovány z velkých vzdáleností. Poruchy pro praváky i leváky se pohybovaly skrz konstrukci, dokud se nesetkaly, a navzájem se rušily. Tyto události vedly k tkáňové synchronizaci. Postupem času to umožnilo, aby se struktura vyvinula do naprosto pravidelné a bezchybné komplexní struktury.

Periodické struktury podobné perleti jsou produkovány mnoha různými druhy zvířat. Vědci se domnívají, že nově objevený mechanismus by mohl řídit nejen tvorbu perleti, ale i dalších biogenních struktur.

Původní text v angličtině