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为解决硅藻中平板光子晶体（sPhCs）的普遍性、功能及演化问题，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开展相关研究，发现 sPhCs 特性与硅藻分类、演化相关。该研究为理解硅藻及 sPhCs 应用提供新视角，值得科研读者一读。
在科技飞速发展的今天，生物启发的创新成为了推动众多领域进步的强大动力。从仿生学、工程学，到进化机器人学、合成生物学，生物的奇妙特性不断激发着人类的创造力，催生出一系列前沿技术。然而，在探索自然奥秘的过程中，科学家们发现，有些自然存在的精妙 “技术”，直到人类发明了类似的东西之后才被察觉，硅藻中的平板光子晶体（slab photonic crystals，sPhCs）就是这样一个典型例子。
光子晶体是一种能控制光传播的周期性纳米结构，在光学通信、高性能激光、高效太阳能电池等众多先进技术领域都有着至关重要的作用。其中，sPhCs 更是凭借相对简单的结构就能实现三维光操控，备受关注。但令人惊讶的是，这种人类经过长期研究才掌握的先进纳米材料，竟然早在数亿年前就存在于硅藻的二氧化硅外壳中。
硅藻是一类广泛分布于海洋和淡水环境中的光合微生物，它们独特的二氧化硅外壳 —— 细胞壁（frustule），一直是分类学研究的重要依据。细胞壁由两个重叠的壳套组成，每个壳套又包含一个壳面（valve）和一系列连接壳面的环带（girdle bands） 。这些细胞壁在形态上极具多样性，其精细结构的差异与物种的多样性密切相关。
研究发现，硅藻细胞壁的某些部分具有光操控的特性，特别是在去除有机物质后，通过暗场光学显微镜能观察到一些光学现象，如虹彩现象。这是因为光在遇到细胞壁的多孔结构时，会发生衍射、散射、折射和反射等现象，而这些现象的基础则是光子结构与周围介质之间的折射率差异。其中，sPhCs 的结构特征表现为高度周期性的二维形态，在紫外线 - 可见光光谱范围内，其光子响应源于几百纳米特征引发的光干涉，这与可见光的波长相近。虽然硅藻的壳面常被作为光子纳米结构进行研究，但环带因其更均匀的孔隙形态，被认为更有可能作为 sPhCs 应用。
尽管硅藻的 sPhCs 展现出了先进的光子特性，但目前仍有许多未解之谜。一方面，我们并不清楚这些结构在硅藻中的普遍程度，也不确定它们是否只是少数物种的偶然产物，与硅藻的生物学和生态学没有特定联系。另一方面，虽然有一些关于硅藻细胞壁光操控功能的假设，比如衰减紫外线辐射、减少氧自由基形成、提高光合作用效率等，但这些假设大多是基于少数测试菌株得出的，无法广泛适用于所有硅藻。而且，目前针对硅藻环带 sPhCs 的研究较少，对于其在硅藻生理功能中的作用，更是缺乏深入的理解。
为了揭开这些谜团，来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员进行了深入研究，并将成果发表在《Scientific Reports》期刊上，论文题目为 “Evolutionary and taxonomic insights into natural slab photonic crystals in diatoms”。他们通过多学科交叉的研究方法，对硅藻环带 sPhCs 进行了全面探索，得出了一系列重要结论，为我们理解硅藻的奥秘和 sPhCs 的应用提供了新的视角。
在这项研究中，研究人员用到了几种关键技术方法。首先是扫描电子显微镜（SEM）技术，他们用该技术观察了数百种硅藻的环带结构，获取了高分辨率的图像，以便分析其微观结构特征。其次，运用快速傅里叶变换（FFT）图像分析方法，通过对 SEM 图像进行处理，来确定环带结构的晶格类型，区分出方形和六边形晶格，并识别 sPhC 形态。此外，还进行了分子系统发育分析和祖先状态重建，研究人员利用核编码核糖体小亚基（nrSSU）、叶绿体编码的 rbcL 和 psbC 基因的 DNA 序列数据，构建系统发育树，推断 sPhC 形态的演化轨迹 。
研究结果
- sPhC 晶格结构的分布：研究人员发现，sPhC 的晶格结构在硅藻环带中分布并不均匀。在测试的菌株中，具有潜在 sPhC 环带形态的分类群仅存在于中心纲（Coscinodiscophyceae）和圆筛藻纲（Mediophyceae）中，而脆杆藻纲（Fragilariophyceae）和羽纹纲（Bacillariophyceae）的子类中则完全没有。这些晶格结构主要分为方形和六边形两种类型。在中心纲中，方形晶格占比较大，而圆筛藻纲中则只出现了六边形晶格。例如，在中心纲的根管藻科（Rhizosoleniaceae）和圆筛藻属（Coscinodiscus）的一些分支中，方形晶格更为常见，但也存在六边形晶格的物种；在圆筛藻纲中，像三角藻属（Trieres）所在的分支，包含了具有方形和六边形晶格的多个属 。
- 环带元素的超微结构特征：所有被确定为 sPhC 候选的硅藻，其环带元素都具有腔室状的细胞壁，即具有腔室或隔间结构。然而，并非所有具有这种结构的分类群都是 sPhC 候选者，如根管藻科中的一些物种。在羽纹纲中，环带结构呈现出向无序穿孔、单行孔或无孔转变的趋势。总体而言，具有 sPhC 特性的环带元素在抽样的硅藻多样性中只占相对较小的比例，只有少数几个分支完全由在环带元素中表现出 sPhC 特性的分类群组成 。
- sPhC 晶格参数与光谱特性：对具有 sPhC 样晶格形态的分类群进行分析发现，方形或准方形晶格的物种，其晶格参数（z 方向的周期）通常在 100 到 300 纳米之间，这一尺度与可见光到近红外光谱范围（450 - 1000nm）的光子特性相关。根据模型预测，方形晶格的光子禁带中心波长大多落在这个范围内，不过也有部分物种的值较大，导致光子特性的工作波长更长。而六边形晶格的晶格参数分布较为分散，范围从约 100 到约 2000 纳米，其光子特性的中心工作波长覆盖范围更广，延伸至 4000nm 的中红外区域 。
研究结论与讨论
这项研究揭示了硅藻环带 sPhC 特性的分布和演化规律，具有重要的意义。从演化角度来看，sPhC 特性主要存在于相对古老的 “中心” 分类群中，说明这些有序纳米材料可能起源于准有序的光子结构。在演化过程中，准晶体的有序性发展出现了分歧，一部分演变成高度有序的 sPhCs，另一部分则演变成单行孔或无序的晶格对称性，甚至在一些最新的硅藻类群中完全失去孔隙结构。而且，一旦方形 sPhC 形态在演化树中出现，后续的谱系似乎会保留这一高度有序的特征，这暗示了方形 sPhC 形态在特定环境中可能具有选择优势 。
从功能角度推测，方形晶格的 sPhC 其光子禁带光谱范围与可见光光谱对齐，可能在光合作用或感知可见光的过程中发挥能量吸收的作用；而六边形晶格由于较大的晶格参数，与近红外和中红外光谱范围相互作用，可能与细胞过程的散热或热调节功能相关。不过，这些假设还需要进一步的研究来证实 。
另外，研究还发现羽纹纲中没有 sPhC 候选者，这可能与羽纹纲环带元素的超微结构有关，其环带多为单行孔或无孔，只能形成一维光子晶体，不符合二维 sPhC 的标准。虽然目前还不清楚导致这种形态转变的选择力，但这一现象为研究硅藻的演化和光操控机制提供了新的思考方向 。
在生态学方面，许多具有 sPhC 特性的硅藻是海洋环境中的浮游生物，但也有一些六边形晶格类型存在于底栖物种中，这表明 sPhC 的功能可能会随着硅藻进入新的栖息地而发生转变。
总的来说，这项研究不仅展示了自然界中 sPhC 的普遍性和多样性，还为进一步研究硅藻与电磁辐射的相互作用奠定了基础。未来的研究可以进一步探索 sPhC 在硅藻生理过程中的具体作用机制，以及其在生物启发的技术应用中的潜力，比如在生物医学、光电子学等领域的应用。随着研究的深入，相信我们对硅藻 sPhC 的理解会更加全面，也能更好地利用这些神奇的自然结构为人类的科技发展服务。
