Mysteriöse Lebewesen im Ozean beherrschen eine Glasfasertechnologie, die den Menschen übertrifft

Wenn Sie in den warmen Gewässern des Indopazifik in Äquatornähe tauchen, haben Sie vielleicht das Glück, im flachen Sand oder in den Korallenriffen herzförmige Schalentiere zu finden. Sie werden Herzmuscheln (Corculum cardissa und spp.) genannt. Ihre wunderschönen Schalen bestehen hauptsächlich aus Kalziumkarbonat , genau wie die Jakobsmuscheln, die Sie am Strand aufheben, die Austern und Venusmuscheln, die Sie auf dem Esstisch essen, und sogar die Steine ​​am Straßenrand.

Bild einiger Herzmuscheln anzeigen (Quelle: Dakota McCoy)

Die Schale der Herzmuschel hat zwei Seiten, eine ist immer der Sonne zugewandt , die andere immer dem Sand, und in der Mitte liegt ihr weicher Körper. Wenn die der Sonne zugewandte Seite schmutzig ist, streckt die Herzmuschel ihre „Fuß“ genannte Struktur aus der Schale, um den Sand auf der Schale zu reinigen. Diese Schalen scheinen eine einfache Struktur zu haben, doch als die Wissenschaftler sie mit hochpräzisen Mikroskopen beobachteten, waren sie schockiert.

Herzmuscheln sind immer mit einer Seite der Sonne und mit der anderen Seite dem Sand zugewandt (Bildquelle: McCoy et al, 2024)

Sie fanden heraus, dass die der Sonne zugewandte Oberfläche der Schale der Herzmuschel mit dicht gepackten transparenten „kleinen Fenstern“ mit einer durchschnittlichen Größe von weniger als 1 Quadratmillimeter bedeckt war . Unter diesen „kleinen Fenstern“ verbergen sich Bündel dicht gepackter Faserstrukturen, die dünner als ein Haar sind . Sie bestehen aus Aragonit, einer transparenten kristallinen Form von Kalziumkarbonat. Wenn Sie einen Lichtstrahl in ein Ende dieser Fasern richten, wandert das Licht entlang der Faser und tritt auf der anderen Seite aus. Darüber hinaus ist an einem Ende dieser Fasern das Bild am anderen Ende mit extrem hoher Auflösung deutlich zu erkennen: Auf jedem Millimeter Länge sind sogar 100 Linien erkennbar.

Die optische Kabelstruktur auf der Schale der Herzmuschel unter einem Rasterelektronenmikroskop (Bildquelle: McCoy et al, 2024)

Diese Struktur kommt den Wissenschaftlern sowohl fremd als auch vertraut vor. Das ist merkwürdig, weil man in der Natur noch nie zuvor eine ähnliche Struktur gefunden hat, und es kommt einem bekannt vor, weil es der Struktur von Glasfaserkabeln sehr ähnlich ist, die man in der modernen technologischen Zivilisation des Menschen überall findet.

Ohne Glasfaser gäbe es keine Gegenwart

Vor über hundert Jahren waren Telefon und Telegraf für die Menschheit noch immer die fortschrittlichsten Technologien zur Informationsübertragung über große Entfernungen. Die Informationen, die die Menschen per Telefon oder Telegraf übermittelten, wurden in elektrische Signale umgewandelt und dann über Kupferdrähte an einen anderen Ort übertragen. Allerdings sind die über Kupferdrähte übertragbare Informationsmenge und die Entfernung sehr begrenzt , elektrische Signale werden leicht geschwächt und gehen verloren und sie sind außerdem sehr anfällig für den Einfluss umgebender elektromagnetischer Felder.

Später erfand man die Glasfaser . Von da an war die elektronische Informationsverbreitung in größerem Maßstab, stabiler und über größere Entfernungen möglich.

Glasfaser-Bildquelle: BigRiz

Der Kern einer optischen Faser ist normalerweise ein langes, dünnes Rohr aus einem transparenten Material wie Glas oder Kunststoff, durch das sich Licht ausbreiten kann. Wenn ein Lichtstrahl in einem bestimmten Winkel in das Innere einer optischen Faser eintritt, wird er an der Innenwand kontinuierlich total reflektiert und breitet sich entlang der optischen Faser vorwärts aus. Wenn wir den in die Glasfaser eintretenden Lichtstrahl in Lichtimpulssegmente umwandeln, können wir dafür sorgen, dass diese binäre Informationen übertragen (beispielsweise das Vorhandensein und Nichtvorhandensein von Licht als 1 bzw. 0 kodieren) und sich über weite Strecken entlang der Glasfaser ausbreiten.

Licht breitet sich durch Totalreflexion in einer Glasfaser aus (Bildnachweis: Timwether – CC BY-SA 3.0)

Durch die Zusammenführung mehrerer Glasfasern entsteht ein optisches Kabel. Im Vergleich zu Kabeln aus Kupferdrähten können optische Kabel größere Informationsmengen gleichzeitig und über längere Entfernungen übertragen und sind weniger anfällig für äußere Einflüsse . Daher eröffnen optische Kabel der Menschheit mehr Möglichkeiten. Die Übertragung von Internet-, Fernsehsignalen etc. ist heute nicht mehr von optischen Kabeln zu trennen. Optische Kabel verbinden die Informationen der menschlichen Welt. Einige künstlich verlegte Glasfaserkabel können sogar ganze Ozeane überspannen .

Schematische Darstellung des Aufbaus eines optischen Kabels (Bildquelle: Srleffler (Talk) – CC BY-SA 3.0)

Man kann sagen, dass wir ohne Glasfasern und Kabel möglicherweise kein Internet hätten, das die ganze Welt verbindet, und dass die moderne digitale Zivilisation der Menschheit möglicherweise nicht existieren würde.

Doch eine solche Technologie, die ausreicht, um die fortgeschrittene Hightech-Zivilisation der Menschheit darzustellen , findet sich im Körper eines einfachen Weichtiers wie der Herzmuschel. Handelt es sich hier um ein ungeheuerliches Experiment eines verrückten Wissenschaftlers oder um die Überreste von Außerirdischen oder einer geheimnisvollen Unterwasserzivilisation?

Glasfaserkabel für Mitbewohner installieren

Natürlich nicht, das ist einfach das Wunder des Lebens. Die „Lichtleiter“ auf den Schalen der Herzmuscheln haben sich im Laufe der Evolution von selbst gebildet und die Rolle dieser Lichtleiter darf nicht unterschätzt werden.

Wie Venusmuscheln, Austern und Miesmuscheln sind Herzmuscheln Weichtiere und gehören zur Klasse der Muscheln. Im Allgemeinen müssen Tiere ihre Nahrung selbst finden, um zu überleben. Doch unter den Muscheln haben zwei Gruppen unabhängig voneinander die Fähigkeit entwickelt, mit photosynthetischen Algen zu koexistieren : die eine Gruppe heißt Tridacninae, die andere ist die Herzmuschel.

Der Körperbau von Muscheln (Bildquelle: Scientific American, 1979)

Im Erdmantel, in den Kiemen und Füßen von Riesenmuscheln und Herzmuscheln leben viele winzige Dinoflagellaten . Ihre Schalen können den Dinoflagellaten eine stabile und sichere Lebensumgebung bieten, und das von ihnen produzierte Kohlendioxid kann von den Dinoflagellaten auch als Rohstoff für die Photosynthese verwendet werden. Im Gegenzug werden die von Dinoflagellaten durch Photosynthese produzierten Zucker zu einer wichtigen Nahrungsquelle für Riesenmuscheln und Herzmuscheln.

Haben Sie nach der Lektüre das Gefühl, dass etwas nicht stimmt? Dinoflagellaten sind auf Photosynthese angewiesen, leben aber in den Schalen von Riesenmuscheln und Herzmuscheln. Wäre es drinnen nicht stockdunkel? Woher kommt das Licht, das Dinoflagellaten für ihre Photosynthese benötigen?

In dieser Hinsicht ist die Lösung mit den Riesenmuscheln relativ einfach und direkt. Von Zeit zu Zeit öffnen sie ihre Schalen und geben den Blick auf ihren weichen Körper frei. Dadurch können die darin lebenden Dinoflagellaten im Sonnenlicht baden und so die Photosynthese ermöglichen. Einige Riesenmuschelarten strecken ihren Mantel sogar aktiv aus der Schale heraus, um mehr Sonnenlicht zu bekommen.

Allerdings verliert der weiche Körper der Riesenmuschel dadurch auch den Schutz der harten Schale und kann, wenn sie nicht aufpasst, von Raubtieren zerrissen oder gefressen werden. Im Gegensatz dazu wird bei der Herzmuschel eine sicherere und fortschrittlichere Methode verwendet – die Installation optischer Kabel auf der Außenhülle .

Menschen lehren

In einer vor zwei Monaten in Nature Communications veröffentlichten Studie verwendeten Forscher ein hochpräzises Laser-Scanning-Mikroskop, um die Schalen der Herzmuscheln zu beobachten. Sie entdeckten zunächst, dass sich unter jedem „kleinen Fenster“ auf der Schale ein kleiner durchscheinender Vorsprung befindet, der kleiner als Sand ist, und dass es sich bei der Zusammensetzung immer noch um Aragonit handelt. Computersimulationen zeigen, dass diese Vorsprünge wie Linsen wirken, die das durch das „kleine Fenster“ der Schale einfallende Sonnenlicht zu einem Lichtstrahl bündeln und ihn an die Dinoflagellaten in der Herzmuschel senden.

Die Rolle konvexer Linsen in der Symbiose zwischen Herzmuscheln und Dinoflagellaten (Bildquelle: McCoy et al, 2024)

Anschließend untersuchten die Forscher die Feinstruktur dieser „kleinen Fenster“ mit einem Rasterelektronenmikroskop weiter und waren überrascht, darin die „Lichtleiterkabel“-Struktur zu finden – es ist zudem das erste Mal, dass eine Lichtleiterkabelstruktur in der Natur entdeckt wurde . „Unter dem Mikroskop weisen die meisten Muschelschalen der Herzmuschel eine geschichtete Struktur auf, bei der die Aragonitflocken in verschiedene Richtungen gestapelt sind, ähnlich wie kunstvolles Mauerwerk“, sagte Dakota McCoy, Erstautorin der Studie und Assistenzprofessorin an der Universität von Chicago. „In den ‚kleinen Fenstern‘ der Schale ist der Aragonit jedoch nicht in Flocken, sondern in engen, haarfeinen Fasern in Richtung des Sonnenlichts angeordnet .“

Darüber hinaus lassen die Fasern rotes und blaues Sonnenlicht – das für die Photosynthese am wichtigsten ist – in das Innere der Muschel eindringen , während sie selektiv ultraviolettes Licht blockieren, das die DNA schädigen kann . „Das Glasfaserkabel und die Linse bilden zusammen ein System, das ungeeignete Wellenlängen des Lichts herausfiltern kann, aber die für die Photosynthese erforderlichen Wellenlängen des Lichts so bündelt, dass es tief genug in die Schale eindringen und den symbiotischen Dinoflagellaten die bestmögliche Lichtumgebung bieten kann“, sagte Sönke Johnsen, Professor für Biologie an der Duke University und einer der Autoren der Studie.

Computersimulationen zeigten außerdem, dass Größe, Form und Anordnung dieser Kabel optimal ausgelegt sind . Unter den gleichen Bedingungen kann dieses Design mehr Licht in die Herzmuschelschale bringen. Johnson sagte, dass diese Herzmuscheln eines Tages neue Inspiration für die Entwicklung optischer Nanokabel liefern könnten, sodass optische Nanokabel entstehen, die Signale über große Entfernungen übertragen können, ohne dass es dabei zu Signalverlusten kommt.

Ist es also an der Zeit, dass Heart Clam als nächstes die Wi-Fi-Technologie entwickelt?

Verweise

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-024-53110-x

[2]https://today.duke.edu/2024/12/build-better-fiber-optic-cables-ask-clam

[3]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/brv.12430

[4]https://journals.ku.edu/treatiseonline/article/view/6554/5996

[5]https://www.youtube.com/watch?v=gx7muAYinPQ&t=1s

[6]https://www.youtube.com/watch?v=zAVsTubdd_Q

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (ID: huanqiukexue)

Herausgeber: He Tong

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin