Nieuwe toestand van materie gevonden in kippenogen?

Om licht optimaal op te vangen in het oog, is het nodig dat identieke lichtgevoelige cellen in perfect regelmatige patronen verdeeld zijn in twee dimensies. Voorbeelden van dergelijke perfecte patronen zijn de samengestelde ogen van insecten en de bijna kristalachtige patronen van fotogevoelige cellen in de ogen van sommige vissen en reptielen.

Vogels zijn zeer visueel ingestelde dieren die vijf verschillende lichtgevoelige kegeltjes hebben, vier voor de kleuren violet, blauw, groen en rood, en eentje, dat een staafje genoemd wordt, om de lichtsterkte te bepalen. Al die kegeltjes hebben andere afmetingen, en de verdeling ervan is niet regelmatig. Onderzoekers van de Princeton University en Washington University in St.Louis hebben nu ontdekt dat de ordening van de cellen neerkomt op een staat van materie die wanordelijke hyperuniformiteit genoemd. Uit eerder onderzoek is gebleken dat wanordelijke hyperuniforme materialen unieke eigenschappen hebben op het gebied van het overdragen en controleren van lichtgolven. Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review E.

Wanordelijk hyperuniforme materie gedraagt zich als de kristalachtige en vloeibare staat van materie, en vertoont orde op lange afstanden, en wanorde op korte afstand. Zoals kristallen onderdrukt de staat in grote mate de variaties in de dichtheid van deeltjes over grote afstanden zodat de schikking zeer gelijkmatig is. Maar tegelijkertijd zijn wanordelijke hyperuniforme systemen gelijkaardig aan vloeistoffen omdat ze in alle richtingen dezelfde fysieke eigenschappen vertonen. Samengeteld betekenen deze kenmerken dat hyperuniforme optische circuits, lichtdetectoren en andere materialen gestuurd kunnen worden om hetzij gevoelig hetzij onontvankelijk te zijn voor bepaalde golflengten van licht, zeggen de onderzoekers.

Wanordelijke hyperuniforme materialen beschikken over een verborgen orde, zegt professor scheikunde Salvatore Torquato van Princeton op de website van de universiteit. Het was Torquato die samen met zijn collega Frank Stillinger in 2003 voor het eerst hyperuniformiteit identificeerde.

"We hebben sindsdien ontdekt dat dergelijke fysieke systemen begiftigd zijn met exotische fysieke eigenschappen en dat ze daardoor nieuwe vermogens hebben", zei Torquato.  "Hoe meer we ontdekken over deze speciale wanordelijke systemen, hoe meer we vinden dat ze beschouwd zouden moeten worden als een nieuwe, aparte staat van de materie."

De onderzoekers bestudeerde de lichtgevoelige kegeltjes in de ogen van kippen en de meeste andere vogels die overdag actief zijn. De vijf verschillende kegeltjes zitten ineen gepakt in een enkele laag weefsel, het netvlies, en ze zijn niet verdeeld op de gebruikelijke manier. 

Bij veel dieren zijn de lichtgevoelige cellen in de cellen verdeeld in een duidelijk patroon zoals de zeshoekige compacte ogen van insecten (kleine foto). Ook hebben veel dieren ogen waarin de verschillende soorten van kegeltjes zo verdeeld zijn dat ze niet in de buurt liggen van andere kegeltjes van hetzelfde type. Bij kippen liggen de kegeltjes op het eerste zicht verdeeld op een willekeurige manier.

Het labo van een mede-auteur van de studie, Joseph Corbo, een professor pathologie, immunologie en genetica aan de Washington University in St.Louis, bestudeert hoe de ongebruikelijke spreiding van kegels bij kippen geëvolueerd is. Omdat hij dacht dat de spreiding mogelijk verband hield met het feit dat de kegeltjes opeengepakt zitten in een zeer kleine ruimte, nam hij contact op met professor Torquato, die met zijn team de geometrie en de dynamische eigenschappen bestudeert van dicht opeengepakte objecten zoals deeltjes.

Torquato ging dan samenwerken met Yang Jiao, de belangrijkste auteur van de studie en een mechanische ingenieur. Samen ontwikkelden ze een computersimulatie om de uiteindelijke rangschikking na te bootsen en hen toe te laten de onderliggende "methode in de waanzin" te ontdekken.

Het bleek dat elk type van kegeltje een gebied rond zich heeft dat een "uitsluitingszone" genoemd wordt, waar andere kegeltjes niet binnen kunnen dringen. Kegeltjes van hetzelfde type sluiten elkaar meer buiten dan kegeltjes van een ander type, en deze variabele uitsluiting veroorzaakt kenmerkende patronen van kegeltjes. De patronen van elk type kegeltje overlappen met die andere types, zodat de patronen met elkaar verweven zijn in een georganiseerde maar wanordelijke manier, een soort van uniforme wanorde. En hoewel het er de schijn van had dat de kegeltjes onregelmatig verdeeld zijn, is hun verdeling in werkelijkheid uniform over lange afstanden. "En dat is wanordelijke hyperuniformiteit", zei Torquato aan de website van Princeton University.

"Omdat de kegeltjes verschillende afmetingen hebben, is het niet gemakkelijk voor het systeem om een kristalachtige of geordende staat aan te nemen", zei Torquato. "Het systeem wordt gedwarsboomd om de optimale oplossing te vinden, wat een typische geordende schikking zou zijn. Hoewel het patroon wanordelijk moet zijn, moet het ook zo uniform mogelijk zijn. Zodoende is wanordelijke hyperuniformiteit een uitstekende oplossing."

De bevindingen van de onderzoekers voegen een nieuwe dimensie toe, multi-hyperuniformiteit genaamd. Dat betekent dat de elementen die het patroon vormen, zelf hyperuniform zijn. Hoewel de individuele kegeltjes van hetzelfde type de indruk geven niet met elkaar verbonden te zijn, zijn ze in werkelijkheid op subtiele wijze verbonden door uitsluitingszones, die ze gebruiken om zich zelf te organiseren in patronen. Multi-hyperuniformiteit is cruciaal voor het systeem van de kippen om het invallende licht gelijkmatig op te vangen, zei Torquato. Hij en zijn collega's houden het voor mogelijk dat de bevindingen de basis kunnen leggen voor het ontwikkelen van materialen die zichzelf kunnen samenstellen in een wanordelijk hyperuniforme staat. 

"Je kunt ook elk van de vijf verschillende visuele kegeltjes als hyperuniform beschouwen", zei Torquato. "Als ik je het visuele systeem van de kippen met deze kegeltjes geef, en ik verwijder de rode kegeltjes, is het nog steeds hyperuniform. Als we dan de blauwe kegeltjes wegnemen, wat er dan overblijft, is nog steeds hyperuniform. Dat is nog nooit gezien in om het even welk systeem, natuurkundig of biologisch. Als je me gevraagd zou hebben om deze schikking te creëren voor ik deze gegevens gezien had, zou ik gezegd hebben dat dat zeer moeilijk zou zijn."

De ontdekking van hyperuniformiteit in een biologisch systeem kan betekenen dat de staat meer voorkomt dan tot nu toe gedacht werd, zei Remi Dreyfus, een onderzoeker bij het Complex Assemblies of Soft Matter laboratorium in Pennsylvania. Tot nog toe was wanordelijke hyperuniformiteit enkel maar vastgesteld bij gespecialiseerde fysische systemen zoals vloeibare helium, eenvoudige plasma's en dicht opeengepakte korreltjes.

"Het ziet er echt naar uit dat dit idee van hyperuniformiteit, dat vertrokken is van een theoretische basis, extreem algemeen is en dat we het op veel plaatsen kunnen vinden", zei Dreyfus, die op de hoogte was van het onderzoek maar er zelf niet aan deelnam. "Ik denk meer en meer dat mensen hun gegevens opnieuw zullen gaan bekijken en uitzoeken of er hyperuniformiteit in het spel is of niet. En ze zullen ontdekken dat dit soort hyperuniformiteit meer algemeen voorkomt in veel fysische en biologische systemen."

De bevindingen geven onderzoekers ook een gedetailleerd natuurlijk model dat nuttig kan zijn bij hun pogingen om hyperuniforme systemen en technologieën te ontwerpen, zei Dreyfus. "De natuur heeft een manier gevonden om multi-hyperuniformiteit te maken. Nu kan je als voorbeeld nemen wat de natuur heeft gevonden, om een multi-hyperuniform patroon te creëren als je dat wil."

Evolutionair gezien, tonen de bevindingen van de onderzoekers dat de natuur een unieke omzeiling heeft gevonden voor het probleem hoe al die kegeltjes in een compact vogel-oog te proppen, zei professor Corbo. De geordende patronen van de cellen in de ogen van de meeste dieren worden beschouwd als de "optimale" schikking, en alles wat minder goed is, zou resulteren in een slechter zicht. En toch hebben vogels - en kippen - met de schikking die hier bestudeerd werd, een feilloos zicht, zei Corbo.

"Deze bevindingen zijn betekenisvol omdat ze aantonen dat de schikking van de lichtgevoelige cellen bij de vogels, hoewel ze niet perfect regelmatig is, in werkelijkheid zo regelmatig is als ze maar kan zijn, gezien de beperkingen van het netvlies", zei Corbo. "Dit resultaat geeft aan dat de evolutie het systeem naar de zo optimaal mogelijke schikking gedreven heeft, gelet op de beperkingen", zo zei hij. "We weten nog niets over de mechanismen op cel-niveau en op het moleculaire niveau, die aan de grondslag liggen van deze prachtige en hoog georganiseerde schikking bij de vogels. Verder onderzoek kan zich toeleggen op de vraag hoe die patronen zich ontwikkelen in het embryo."