Zajrzyj do kokonu, niesamowite filmy przedstawiające skrzydła motyla powstałe podczas metamorfozy

Odkrycia mogą pomóc w projektowaniu nowych materiałów, takich jak opalizujące okna czy wodoodporne tkaniny.

Jeśli szczotkujesz skrzydła motyla, prawdopodobnie dostaniesz drobny puder. Ten pył Lepidoptera składa się z maleńkich mikroskopijnych łusek, z których setki tysięcy opuszcza skrzydła motyla jak płytki na cienkim dachu. Struktura i układ tych łusek nadają motylowi kolor i połysk, a także pomagają chronić owada przed żywiołami.

obecnie, Z Inżynierowie uchwycili skomplikowaną choreografię łusek motyla, które tworzą się podczas metamorfozy. Po raz pierwszy zespół zaobserwował konsekwentnie, że łuski skrzydeł rosną i zbierają się, gdy rosnący motyl przekształca się w swoim kokonie.

Dzięki kilku prostym operacjom i sprytnemu podejściu do obrazowania naukowcy byli w stanie obserwować tworzenie się łusek skrzydeł w próbkach Vanessa Cardoy Znany jako kolorowy motyl damski. Zauważają, że gdy tworzą się skrzydła, komórki na ich powierzchni układają się w uporządkowane rzędy w miarę wzrostu. Komórki te szybko różnicują się w nakładające się łuski „pokrywowe” i „podłogowe”, tworząc skomplikowany, przypominający gont wzór. Kiedy łuski osiągną swój pełny rozmiar, na całej długości wyrastają cienkie ostrogi – maleńkie pofałdowane elementy, które kontrolują kolor owada i pomagają mu spuszczać deszcz i wilgoć.

Obrazowanie SEM jest zwykle używane do wizualizacji łusek rozwijających się na skrzydle motyla (pokazane są dwie indywidualne łuski, u góry po lewej); Nowe podejście, które wykorzystuje obrazowanie fazy ilościowej do bardziej szczegółowego wyświetlania poszczególnych metryk (u góry po prawej i na dole). Szerokość łusek wynosi około 50 µm. Źródło: Anthony McDougall i Songsam Kang

Badanie zespołu zostało opublikowane dzisiaj (22 listopada 2021 r.) w Materiały Narodowej Akademii Nauk, zapewnia najbardziej szczegółowe spojrzenie na powstającą architekturę łusek motyla. Nowe wizualizacje mogą również służyć jako plan do projektowania nowych funkcjonalnych materiałów, takich jak opalizujące okna i wodoodporne tekstylia.

„Skrzydła motyla kontrolują wiele jego cech poprzez precyzyjne kształtowanie struktury szkieletowej łusek skrzydeł” – mówi główny autor Anthony McDougall, asystent badawczy na Wydziale Inżynierii Mechanicznej w MIT. „Ta strategia może być wykorzystana na przykład do nadawania zarówno kolorom, jak i właściwościom samooczyszczania samochodom i budynkom. Teraz możemy uczyć się na podstawie kontroli strukturalnej motyli w tych złożonych, mikronanostrukturalnych materiałach”.

Współautorami McDougalla są podoktorzy MIT Songsam Kang, naukowiec Zahid Yacoub, Peter Sue profesor inżynierii mechanicznej i biologicznej oraz Matthias Kohli, profesor inżynierii mechanicznej.

pole świetlików

Przekrój skrzydła motyla ukazuje złożone rusztowanie z łusek i żeber, których budowa i układ różnią się w zależności od gatunku. Te mikroskopijne elementy działają jak maleńkie reflektory, które odbijają światło, aby nadać motylowi kolor i blask. Ostrogi na łuskach skrzydeł działają jak maleńkie rynny deszczowe i kaloryfery, przenosząc wilgoć i ciepło, aby owad był chłodny i suchy.

Naukowcy podjęli próbę odtworzenia optycznych i strukturalnych właściwości skrzydeł motyla, aby zaprojektować nowe ogniwa słoneczne i czujniki światła, powierzchnie odporne na deszcz i ciepło, a nawet banknoty ozdobione opalizującymi szyframi, aby zniechęcić do fałszerstw. Znajomość procesów, które motyle wykorzystują do wyhodowania swoich muszli, może pomóc w kierowaniu tego rodzaju rozwojem technologii inspirowanych biologią.

Obecnie to, co wiadomo na temat tworzenia objętości, opiera się na nieruchomych obrazach rozwijających się i dojrzałych skrzydeł motyla.

„Poprzednie badania dostarczają przekonujących migawek na określonych etapach rozwoju; niestety nie ujawniają trwającej osi czasu i sekwencji tego, co dzieje się w miarę wzrostu struktur Libra”, mówi Cooley. „Musieliśmy zobaczyć więcej, aby lepiej to zrozumieć”.

W swoim nowym badaniu wraz z kolegami starał się stale monitorować, jak łuski rosną i agregują w żywym, zmieniającym się motylu. Wybrali do badania próbki z Vanessa Cardoy, ponieważ skrzydła motyla mają cechy wspólne dla większości gatunków Lepidoptera.

Zespół hodował larwy Lady Painter w osobnych pojemnikach. Gdy każda gąsienica pokryła się kokonem, sygnalizując początek jej metamorfozy, naukowcy ostrożnie przecięli cienki materiał i oderwali mały kwadrat z naskórka, czyli osłony rozwijającego się skrzydła, odsłaniając rosnące pod nim łuski. Następnie użyli biokleju, aby przykleić przezroczystą osłonę do otworu, tworząc okno, przez które mogli obserwować motyla i jego łuski.

Aby zobrazować tę transformację, Kolle i McDougal współpracowali z ekspertami Kangiem, Yaqoobem i So — w rodzaju obrazowania zwanego mikroskopią korelacji fazowej. Zamiast skierować na skrzydło szeroką wiązkę światła, która może być fototoksyczna dla wrażliwych komórek, zespół zastosował „pole punktowe” — wiele maleńkich punktów świetlnych, z których każdy świeci w określonym punkcie skrzydła. Odbicie każdego małego światła można zmierzyć równolegle do każdego innego punktu w polu, aby szybko utworzyć szczegółową mapę 3D struktur skrzydeł.

„Pole plamiste jest jak tysiące świetlików, które generują pole punktów świetlnych”, mówi. „Za pomocą tej metody możemy wyizolować światło pochodzące z różnych warstw i możemy zrekonstruować informacje, aby skutecznie odwzorować trójwymiarową strukturę”.

Głęboki skan przez wagę pawilonu poczwarki zakończył 83% jej transformacji. Po lewej stronie pokazano ilość światła odbitego przez podziałki, podczas gdy informacje o fazie po prawej pokazują dokładniejsze gradacje tego, jak daleko światło dociera do podziałek. Źródło: MIT

nawiązywać relacje

W swoich wizualizacjach rosnącego skrzydła motyla zespół obserwował tworzenie się bardzo szczegółowych cech, od łusek o rozmiarach mikrometrów po drobne krawędzie o wysokości nanometrów w poszczególnych łuskach.

Zaobserwowali, że w ciągu kilku dni komórki szybko ustawiły się w rzędach, a po pewnym czasie różnicowały się w naprzemienny wzór łusek kapeluszowych (tych na szczycie skrzydła) i łusek naziemnych (tych złożonych poniżej). Kiedy osiągnęły swój ostateczny rozmiar, każdy miernik wydłużył się, a smukłe krawędzie przypominały maleńkie faliste dachy.

„Wiele z tych etapów zostało już zrozumianych i zaobserwowanych, ale teraz możemy je połączyć i stale obserwować, co się dzieje, dając nam więcej informacji o szczegółach powstawania łusek” – mówi McDougall.

Co ciekawe, zespół odkrył, że guzki na łuskach utworzyły się w nieoczekiwany sposób. Naukowcy wysunęli hipotezę, że te rowki są wynikiem kompresji: w miarę wzrostu łusek uważano, że ściskają się one jak akordeon. Wizualizacje zespołu pokazały jednak, że zamiast kurczyć się jak każdy materiał po ściśnięciu, łuski nadal rosły w miarę pojawiania się krawędzi na ich powierzchni. Pomiary te wskazują, że potrzebny jest inny mechanizm powstawania grzbietów. Grupa ma nadzieję zbadać ten i inne procesy w rozwoju skrzydła motyla, które mogą pomóc w projektowaniu nowych materiałów funkcjonalnych.

„Ten artykuł skupia się na tym, co znajduje się na powierzchni skrzydła motyla” — zauważa McDougall. „Ale pod powierzchnią możemy również zobaczyć komórki układające korzenie jak wyspy, wysyłające połączenia do innych korzeni. Pod powierzchnią istnieją połączenia, podczas gdy komórki organizują się. A na powierzchni tworzą się łuski wraz z cechami na skalują się same. Możemy sobie to wszystko wyobrazić, co oznacza, że ​​naprawdę miło jest to zobaczyć”.

Numer referencyjny: 22 listopada 2021 r., Materiały Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2112009118

Badania te były częściowo wspierane przez Narodową Fundację Nauki.