Author: Suhani Patel
Editors: Peggy Yang and Michael Zhu
Artist: Nicole Tseng
Scientists have discovered ultra-black fish that absorbs almost all light that hits them, allowing them to effectively hide in the deepest, darkest parts of the ocean. The techniques these fishes use appear to be a more efficient method than those used by other animals, and potential findings could help inform future advances in optical and camouflage technology.
Deep in the ocean, where sunlight barely reaches, Smithsonian scientists and a team of collaborators have discovered one of the blackest materials known: the skin of certain fish. These ultra-black fish absorb light so efficiently that even in bright light they appear to be silhouettes with no discernible features. They disappear into the darkness of the ocean, even when surrounded by bioluminescent lights. Many of the blackfish found in the deep sea absorbed more than 99.5% percent of the light that hit their surfaces. That means they are ultra-black — blacker than black paper, blacker than electrical tape, blacker than the night sky. And in the deep, dark sea, where a single photon of light is enough to attract attention, that intense blackness can improve a fish’s odds of survival.
Because sunlight does not reach more than a couple hundred meters beneath the ocean’s surface, most deep-sea creatures make their own lights called bioluminescence. Bioluminescent glows are used to attract mates, distract predators, and lure prey. They can also expose nearby animals — foiling a predator’s stealthy approach or shining a beacon on potential prey — unless those animals have the right camouflage. “If you want to blend in with the infinite blackness of your surroundings, sucking up every photon that hits you is a great way to go,” says Karen Osborn, a zoologist for Smithsonian.
So, how do these 16 species of ultra-black fish camouflage themselves so well? It’s all about melanin, the same element that gives us humans our skin coloration. The skin of these fishes is positively packed with a layer of organelles called melanosomes, which are loaded with melanin. When you shine a light on an ultra-black fish, the melanosomes absorb most of the photons right away. “But what isn't absorbed side-scatters into the layer, and it's absorbed by the neighboring pigments that are all packed right up close to it,” says Osborn. “And so what they've done is create this super-efficient, very-little-material system where they can build a light trap with just the pigment particles and nothing else. It's kind of like a gumball machine, where all of the gumballs inside are the right size and shape to trap light within the machine,” adds Alexander Davis, Duke University biologist. “Once it comes in, it bounces around between all of those little balls and doesn't come back out.”
Fish are not the only animals known to trap enough light to produce an ultra-black surface. Ultra-black feathers and scales have been found on a few birds and some butterflies, where they contrast with brightly colored regions, making the colors appear more vibrant. Those animals produce the effect by combining a layer of melanin with light-capturing structures like tiny tubes or boxes. In the resource-limited deep sea, ultra-black fish appear to have evolved a more efficient system, Osborn said. “This is the only system that we know of that’s using the pigment itself to control any initially unabsorbed light.” This melanosome-based ultra-blackness seems to be a common strategy in the deep sea: Osborn and her team found the same distinct patterns of pigment in 16 species of distantly related fish.
Adopting this efficient design strategy could improve the manufacture of ultra-black materials, which currently use an architecture more like what is found in ultra-black birds and butterflies, Osborn said. Such materials, sought after for sensitive optical equipment, are currently both extremely delicate and expensive to produce. “Instead of building some kind of structure that traps the light, if you were to make the absorbing pigment the right size and shape, you could achieve the same absorption potentially a lot cheaper and [make the material] a lot less fragile,” she said.
《超黑鱼的神秘消失》
Translate By Narisha (Fluency for Teens)
科学家发现了一种可以吸收几乎所有光的物种，允许它们能够有效地躲藏在海洋最深并且最黑暗部分。这些鱼类使用的技术似乎比其它动物的技术更有效，这些发现可能有助于光学和迷彩技术在未来的发展。
在海洋深处，几乎没有阳光。一名科学家 Smithsonian 和他的合作者发现了一种材料：某些鱼的皮肤。这些超黑鱼吸收光线效率很高，即使在明亮的光线下，它们看起来也是轮廓，没有明显的特征。即使被发光的生物包围着,它们也消失在海洋的黑暗中。在深海发现的许多黑鱼可以吸收了超过95.5%的照射到其表面的光。这就能说明它们就是超黑鱼——比黑纸更黑，比电工胶带更黑，比夜晚更黑。在深黑暗的海洋中，一条光已经足够吸引它们的注意，强烈的黑度可以提高类生存几率。
因为阳光不能到达海洋表面下几百米，所以大多数深海生物都发出自己的光，称为生物发光。生物发光可以吸引伴侣，分散食肉动物的注意力并能吸引食物。它们可以暴露附近的动物——挫败捕食者的隐身方法或为潜在的食物照亮灯塔——除非动物有正确的伪装。对Smithsonian的一名动物家的Karen Osborn说过：“如果你想与周围的无限黑度融合，吸吮击中你的每条光子是一个不错的选择”。
所以这16种超黑鱼如何为装得如此好呢？因为黑色素，就是和我们人类一样的肤色元素。这些鱼皮肤上充满了一层叫黑素体的细胞器，富含黑色素的。当你在超黑鱼身上照亮光线时，丙二醛会立即吸收大部分的光。Obsorn 说：“但是未被吸收的侧面会散布到该层中，并且被附近堆积的相邻颜料吸收”。再加上Alexander Davis，Duke大学生物学家说：“因此，它们所做的是创建这种超高效，非常少的材料系统，在该系统中，它们可以反用颜料颗粒儿不用其他任何东西来构建一个光阱。有点像口香糖机，里面的所有口香糖都具有正确的尺寸和形状，可以将光线捕获在机器内”。 “一旦进入，它会在所有这些小球之间反弹，并且不会再回来”。
鱼不是唯一已知能够捕获足够的光以产生超黑表面的动物。科学家还在鸟和蝴蝶上发现了超黑的羽毛和鳞片，它们与色彩鲜艳的区域形成对比，使颜色显的更鲜艳。这些动物通过将黑色素层与光捕获结构，如小方块或盒子，结合在一起而产生效果。“这是我们知道的唯一使用颜料本身来控制任何最初未被吸收光的系统”：Obsorn说。这种基于黑素体的超黑度似乎是深海中的常见策略：Osborn和她的队组在16种远缘鱼类中发现了相同的色素图案。
Osborn也有说过：“采用这种效的计策略可以改善超黑材料的制造商，该材料目前使用的结构更像是在超黑鸟和蝴蝶中发现的结构”。此类材料在敏感的光学设备中非常抢手，目前生产起来该极其精细又昂贵。“如果要使吸收颜料的尺寸和形状正确，则无需构建某种结构来一捕获光线，而可以使用相同吸收成本降低很多，并使材料的脆性降低” 她说。
La Misteriosa Desaparición del Pez Ultra-Negro
Translator: Heather Jung (Fluency for Teens)
Los científicos han descubierto peces ultra-negros que absorben casi toda la luz que les golpea, permitiendoles esconderse efectivamente en lo mas profundo y oscuro del oceano. Las técnicas que usan estos peces parecen ser un método más eficiente que lo usado por otros animales, y los descubrimientos potenciales podrían ayudar a informar avances futuros en la tecnología óptica y de camuflaje.
En lo profundo del océano, donde la luz solar apenas llega, científicos del Smithsonian y un equipo de colaboradores han descubierto uno de los materiales mas negros conocidos: el piel de un cierto pez. Estos peces ultra-negros absorben la luz de manera tan eficientemente que incluso con luz brillante, parecen siluetas sin caracteristicas discernibles. En la oscuridad del océano, incluso rodeados de luz bioluminiscente, desaparecen. Muchos de los peces negros encontrados en las profundidades del mar absorbieron más del 99,5% por ciento de la luz que que rebotó sus superficies. Eso significa que son ultra negros -- más negros que el papel negro, mas negros que la cinta aislante, mas negros que el cielo nocturno. Y en las profundidades del océano, donde un solo fotón de luz es suficiente para llamar la atención, esa negrura intensa puede mejorar las posibilidades de supervivencia de un pez.
Debido a que la luz solar no alcanza más de un par de cientos de metros debajo de la superficie del océano, la mayoría de las criaturas de aguas profundas producen su propia luz, llamada bioluminiscencia. Los resplandores bioluminiscentes se utilizan para atraer parejas, distraer a los depredadores y atraer a las presas.También pueden exponer a los animales cercanos -- frustrando el enfoque sigiloso de un depredador o arrojando un faro a una presa potencial -- a menos que esos animales tengan el camuflaje adecuado. "Si quieres mezclarte con la infinita negrura de tu entorno, absorber cada fotón que te golpee es una excelente manera de hacerlo", dice Karen Osborn, una zoóloga de Smithsonian.
Asi que, ¿cómo se camuflan tan bien estos 16 especies de peces ultra-negros? Todo depende de la melanina, el mismo elemento que nos da a los humanos nuestra coloración de la piel. La piel de estos peces están densamente empaquetados con una capa de los compartimentos celulares llamados melanosomas, que están cargados de melanina. Cuando brillas una luz en un pez ultra-negro, los melanosomas absorben la mayoria de los fotones inmediatamente. “Pero cualquier luz que no absorban, se dispersa lateralmente hacia la capa, y está absorbida por los pigmentos vecinos que son empacados cerca de ellos'', dice Osborn. “Y efectivamente, lo que han hecho es hacer un sistema súper eficiente y súper delgada donde puede construir una trampa de luz solo con las partículas de pigmento y nada más. Es como una máquina de chicles, donde todas las chicles tienen el tamaño y la forma adecuados para atrapar la luz dentro de la máquina,” añade Alexander Davis, biólogo de la Universidad de Duke. “Una vez que se entra, rebota entre todas esas pequeñas bolas y no vuelve a salir.”
Los peces no son los únicos animales conocidos que atrapan suficiente luz para producir una superficie ultra negra. Las plumas y escalas ultra-negras han sido descubiertas en algunas aves y mariposas, donde contrastan con regiones de colores brillantes, haciendo los colores parecer más vibrante. Esos animales producen este efecto por combinar una capa de melanina con estructuras que capturan la luz como tubos o cajas minúsculos. En las profundidades del mar donde no hay tantos recursos, los peces ultra negras parecen haber desarrollado un sistema más eficiente. Osborn dice, “Esto es el único sistema del que sabemos que está usando el pigmento mismo para controlar alguna luz no absorbida inicialmente.” Esta ultra negrura basada en las melanosomas parecen ser una estrategia común en las profundidades del mar: Osborn y su equipo descubrieron los mismos patrones distintos del pigmento en 16 especies de peces distantemente relacionados.
“Adoptando esta eficiente estrategia de diseño puede improver la manufactura de los materiales ultra-negras, cuales actualmente usan una arquitectura mas como la observada en los aves y mariposas ultra-negros,” Osborn dijo. Tales materiales, buscados por los equipos ópticos sensibles, son actualmente ambos extremadamente delicados y caros para producir. “En vez de construir algún tipo de estructura que entrampa la luz, si fuera hacer el pigmento absorbente el tamaño y la forma adecuados, puedes lograr la misma absorción potencialmente mucho más barato y [hacer el material] mucho menos frágil,” ella dijo.
Citations:
Wu, Katherine J. “How Ultra-Black Fish Disappear in the Deepest Seas.” The New York
Times, The New York Times, 16 July 2020,
www.nytimes.com/2020/07/16/science/ultra-black-fish.html.
O'Neill, Mike. “How Deep-Sea, Ultra-Black Fish Disappear – Science Behind Skin That
Absorbs More Than 99.5% of Light.” SciTechDaily, 18 July 2020,
scitechdaily.com/how-deep-sea-ultra-black-fish-disappear-science-behind-skin-that-
absorbs-more-than-99-5-of-light/.
Simon, Matt. “These Scary Deep-Sea Fish Absorb Almost All the Light That Hits Them.”
WIRED UK,
www.wired.co.uk/article/deep-sea-fish.
Irving, Michael. “Ultra-Black Fish That Absorb 99.5% of Light Found in the Deep Ocean.”
New Atlas, 17 July 2020, newatlas.com/science/ultra-black-fish-absorb-light/.
Team, The Ocean Portal. “Bioluminescence.” Smithsonian Ocean, 18 Dec. 2018,
ocean.si.edu/ocean-life/fish/bioluminescence.