کشف شگفت‌انگیز در پر طاووس: محفظه لیزری طبیعی در ساختار پرها
پرهای طاووس رنگ‌هایی دارد که نه از رنگ‌دانه، بلکه از بازتاب منظم نور در ساختارهای دقیق میکروسکوپی پدید می‌آیند
پژوهشگران ساختارهایی را در پر طاووس شناسایی کرده‌اند که مانند محفظه لیزری عمل می‌کند. این یافته که در نشریه «گزارشات علمی» (Scientific Reports) منتشر شد، نشان می‌دهد که پرهای طاووس در شرایطی خاص نور را به صورت پرتوهای لیزری باریک و همراستا ساطع می‌کنند. این کشف چشم‌اندازهای نوینی را در حوزه فناوری‌های زیستی، ازجمله ابزارهای نوری پیشرفته برای کاربردهای پزشکی و شناسایی میکروساختارهای زیستی، پیش روی دانشمندان قرار می‌دهد.
ماتیاژ هومار، پژوهشگر بیوفوتونیک در دانشگاه لیوبلیانا که اخیرا پژوهشی درباره لیزرهای زیستی منتشر کرده، این پژوهش را «نوآورانه و الهام‌بخش» می‌داند. او می‌گوید: «این پژوهش نمونه‌ای شگفت‌انگیز و ظریف از این است که چگونه ساختارهای پیچیده زیستی می‌توانند نور یکدست و همراستا (coherent light) پدید آورند.»
به گزارش وبسایت ساینس، لیزر زمانی ایجاد می‌شود که یک «محیط تقویت‌کننده» ــ که اغلب یک رنگ‌دانه یا ماده‌ای حساس به نور است ــ با انرژی بیرونی تغذیه یا «پمپاژ» می‌شود. در این فرایند، الکترون‌های ماده به سطوح انرژی بالاتر منتقل می‌شوند. اما این حالت ناپایدار است و الکترون‌ها پس از مدت کوتاهی به سطح انرژی پایین‌تری بازمی‌گردند، و در این بازگشت، انرژی خود را به‌صورت فوتون‌هایی با طول‌موج مشخص آزاد می‌کنند. این فوتون‌ها می‌توانند اتم‌های برانگیخته مجاور را تحریک کنند تا آنها نیز فوتون‌هایی مشابه آزاد کنند؛ به این ترتیب، واکنشی زنجیره‌ای از گسیل نور آغاز می‌شود.
برای آنکه این نور به پرتو لیزری تبدیل شود، لازم است درون ساختاری بازتاب‌دهنده بارها رفت و برگشت کند. این بازتاب‌های متوالی نور را تقویت و آن را به پرتویی هم‌فاز، همراستا و منظم تبدیل می‌کنند. در لیزرهای مصنوعی، این ساختار معمولا یک محفظه نوری با آینه‌های خاص است که در نهایت پرتو لیزر از یک آینه نیمه‌شفاف خارج می‌شود. اما در طبیعت ممکن است بافت‌های میکروسکوپیِ خاصی این عملکرد را تقلید کنند. برای مثال، دانشمندان سال‌هاست می‌دانند که پرهای طاووس دارای رنگ‌هایی هستند که نه از رنگ‌دانه بلکه از بازتاب منظم نور در ساختارهای دقیق میکروسکوپی پدید می‌آیند؛ ساختارهایی که رنگ‌های درخشان آبی و سبز و درخشش رنگین آنها را پدید می‌آورند. اما اکنون ناتان داوسون، فیزیک‌دان دانشگاه پلی‌تکنیک فلوریدا، و همکارانش در تلاش‌اند دریابند آیا همین ساختارهای ریز می‌توانند نقش محفظه‌ای برای تولید نور لیزر را نیز ایفا کنند یا نه.
پژوهشگران پس از آغشته کردن پرهای طاووس به یک رنگ‌دانه معمولی و تاباندن پرتوهای ملایم نوری، توانستند با ابزارهای آزمایشگاهی پرتوهای لیزر زرد‌ـ‌سبز را شناسایی کنند؛ پرتوهایی که با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شدند. این نورها از نواحی موسوم به «چشم‌مانند» در پرها خارج و در دو طول‌موج مشخص ظاهر می‌شدند. شگفتی اصلی در این بود که به‌رغم تفاوت‌های رنگی در این بخش‌ها، همه آنها دقیقا طول‌موج‌های لیزری یکسان را منتشر می‌کردند. داوسون می‌گوید که امکان ندارد این پدیده تصادفی باشد، مگر اینکه ساختارهای زیربنایی پر به طرز عجیبی هماهنگ باشند.
با این حال، مارکو جی‌رالدو، زیست‌فیزیک‌دان در دانشگاه آنتیوکیا، یادآور می‌شود که این مطالعه ساختارهای دقیق تولیدکننده تابش لیزر را شناسایی نکرده است. او می‌گوید برای توضیح یکنواختی طول‌موج، حفره‌های بازتابنده در سراسر پر باید از نظر اندازه و شکل تا حد زیرنانومتری یکسان باشند. به این ترتیب این ویژگی بخش‌های توخالی پر را کنار می‌گذارد چون تنوع زیادی دارند، همچنین شامل ساختارهای میله‌ای‌شکل هم نمی‌شود که به عنوان عامل ایجاد رنگ ساختاری در پر طاووس شناخته می‌شوند. داوسون احتمال می‌دهد که برخی ساختارهای بسیار کوچک و متمایز درون پرها، که احتمالاً دانه‌های پروتئینی هستند، در این پدیده نقش دارند و مانند محفظه لیزری عمل می‌کنند.
اینکه پرهای طاووس نور لیزری ساطع می‌کنند، لزوما به این معنا نیست که خود پرنده از این ویژگی استفاده می‌کند. با این حال، داوسون معتقد است این پدیده می‌تواند پیامدهای مهمی در حوزه‌های علمی و فناوری داشته باشد. او پیشنهاد می‌کند که بررسی وجود نور لیزری در بافت‌های زیستی می‌تواند به شناسایی آرایش‌های منظم میکروساختارهای درون آنها کمک کند. برای نمونه، در پزشکی شاید بتوان برخی ویروس‌ها را که اشکال هندسی منظم دارند، با توجه به قابلیتشان در تولید نور لیزری، شناسایی و طبقه‌بندی کرد.
این کشف همچنین افق‌های تازه‌ای را برای استفاده از مواد زیستی در ساخت لیزرهای ایمن و قابل‌استفاده در درون بدن انسان می‌گشاید، لیزرهایی که می‌توانند در حسگرهای زیستی، تصویربرداری پزشکی و درمان‌های نوین کاربرد داشته باشند. داوسون با نگاهی الهام‌بخش می‌گوید: «همیشه این باور را دارم که بسیاری از دستاوردهای فناورانه‌ای که امروزه به انسان خدمت می‌کنند، پیش‌تر در جایی از طبیعت، در مسیر تکامل موجودات زنده پدید آمده است.»