Die neueste Entdeckung von Forschern der Florida Polytechnic University und der Youngstown State University revolutioniert unser Verständnis von Biologie und Optik. Es hat sich herausgestellt, dass Pfauenfedern (Pavo cristatus) schmale Laserstrahlen aussenden können, was der erste dokumentierte Fall einer „biologischen Laserkammer” in der Tierwelt ist.
Pfauenfedern begeistern seit Jahrhunderten durch ihre leuchtenden, schillernden Farben, die auf sogenannte strukturelle Farben zurückzuführen sind, d. h. auf den Effekt der Lichtinterferenz auf mikroskopischen Strukturen und nicht auf Pigmenten. Bereits 1665 beschrieb Robert Hooke in seiner Arbeit „Micrographia” ihre fantastischen Farben und stellte fest, dass sie das Ergebnis der Reflexion von Licht auf dünnen Schichten in den Federn sind.
Erst kürzlich jedoch beschloss ein Team unter der Leitung von Nathan Dawson von der Florida Polytechnic University und der Youngstown State University zu untersuchen, ob diese Nanostrukturen als Laserkammer fungieren können. Nachdem die Federn mit einem beliebten fluoreszierenden Farbstoff (Rhodamin 6G) gefärbt und Lichtimpulsen mit einer Wellenlänge von 532 nm ausgesetzt worden waren, beobachteten die Wissenschaftler die Emission schmaler gelb-grüner Lichtstrahlen, die zu schwach waren, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, aber mit einem Spektrometer nachweisbar waren.
Pfauenfedern als natürliche Laser
Der Prozess der Erzeugung der Laseremission war nicht einfach. Entscheidend war das mehrmalige Färben der Federn mit einer Lösung aus Rhodamin 6G in Alkohol und Wasser, wobei zwischen den Zyklen getrocknet wurde. Dadurch konnte der Farbstoff in die mikroskopisch kleinen Keratinstrukturen der Federn eindringen und deren Fasern entspannen.
Nach mehreren Zyklen unter Einwirkung von Laserimpulsen begannen die Federn, Licht mit zwei charakteristischen Wellenlängen zu emittieren: etwa 574 nm und 583 nm, unabhängig von der Farbe des Bereichs (blau, grün, gelb oder braun) in den charakteristischen „Augen” auf den Pfauenfedern. Die stärkste Emission kam aus den grünen Bereichen, was darauf hindeutet, dass spezifische Nanostrukturen in diesen Bereichen am besten zur Verstärkung des Lichts beitragen.
„Biologische Laserkammer” in der Tierwelt
Was bewirkt, dass Pfauenfedern wie Laser wirken? Wissenschaftler vermuten, dass dafür mikroskopische Strukturen verantwortlich sind, wahrscheinlich Proteinkörnchen oder nanometrische Keratinhohlräume, die natürliche optische Kammern bilden. Diese Strukturen mit einer Größe von 92–93 nm reflektieren das Licht kohärent und sorgen durch stimulierte Strahlungsemission für einen Lasereffekt.
Interessanterweise wurden andere Mechanismen wie zufällige Streuung oder Galeriemodi aufgrund der spektralen Stabilität und des Fehlens entsprechender Geometrien in den Federn ausgeschlossen. Obwohl die genaue Natur dieser Strukturen unbekannt bleibt, sind ihre Regelmäßigkeit und Präzision beeindruckend und weisen auf Millionen von Jahren der Evolution hin, die diese komplexen optischen Eigenschaften hervorgebracht haben.
Innovationen in der medizinischen Bildgebung
Diese Entdeckung ist nicht nur für die Biologie, sondern auch für die Technologie von Bedeutung. Forscher wie Matjaž Humar von der Universität Ljubljana bezeichnen sie als „bahnbrechend und inspirierend” und verweisen auf das Potenzial in der Biophotonik. Die Möglichkeit, natürliche Strukturen zur Herstellung biologisch abbaubarer Laser zu nutzen, öffnet Türen für Innovationen in der medizinischen Bildgebung, bei optischen Sensoren und sogar bei optischen Kommunikationssystemen.
Pfauenfedern als natürliches und leicht verfügbares Material könnten Anregungen für die Entwicklung kostengünstiger, biokompatibler Technologien liefern, die keine synthetischen Spiegel wie herkömmliche Laser benötigen, sondern die Mehrfachstreuung von Licht nutzen und so sogenannte „zufällige Laser” erzeugen.
Der Beginn einer neuen Ära in der Biophotonik
Nutzen Pfauen diese Eigenschaften in der Natur? Wahrscheinlich nicht. Ihre bunten Federn haben sich in erster Linie entwickelt, um Weibchen anzulocken und Rivalen abzuschrecken, und die Laserstrahlung ist zu schwach, um eine biologische Funktion zu erfüllen. Einige Wissenschaftler, wie Dr. Emily Carter von der Universität Exeter, vermuten jedoch, dass sie eine Rolle bei der subtilen Kommunikation spielen könnte, die nur für andere Pfauen sichtbar ist, obwohl es dafür keine Beweise gibt.
Unabhängig von der biologischen Funktion unterstreicht diese Entdeckung, wie die Natur die Wissenschaft inspirieren kann, indem sie verborgene Mechanismen aufdeckt, die zur Analyse biologischer Materialien genutzt werden können, beispielsweise zur Erkennung korrekt geformter Viren in der Medizin. Weitere Untersuchungen anderer natürlicher Materialien wie Schmetterlingsflügel oder Muschelschalen könnten weitere Beispiele für biologische Laser aufdecken, sodass diese Entdeckung nur der Beginn einer neuen Ära in der Biophotonik ist.
