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窥视茧,捕捉蜕变过程中形成的蝴蝶翅膀的精彩视频

较大的、重叠的红色和绿色鳞片在发育中途开始形成它们的骨骼细节(右图)。 每个图像的宽度为 75 µm。 信用:安东尼麦克杜格尔和松山康

研究结果可能有助于设计新材料,如虹彩窗户或防水纺织品。

如果你刷蝴蝶的翅膀,你很可能会喷出细细的粉末。 这种鳞翅目尘埃由微小的微观鳞片组成,成千上万的鳞片在蝴蝶的翅膀上像薄薄的屋顶上的盘子一样落下。 这些鳞片的结构和排列赋予蝴蝶以颜色和光泽,它们有助于保护昆虫免受自然灾害的影响。

目前, 工程师们捕捉到了蝴蝶鳞片在变形过程中形成的错综复杂的编舞。 研究小组第一次一致观察到,随着一只成长中的蝴蝶在其茧内变形,翼鳞会不断增长和聚集。

通过一些简单的手术和巧妙的成像方法,研究人员能够观察到翅膀样本中翼鳞的形成。 凡妮莎·卡多伊 被称为七彩女蝶。 他们注意到,随着翅膀的形成,其表面的细胞随着它们的生长而排列成一排。 这些细胞迅速分化为重叠的“覆盖”和“地板”鳞片,产生复杂的带状疱疹图案。 当它们达到最大尺寸时,鳞片会沿着它们的长度长出细长的刺——微小的波纹状特征可以控制昆虫的颜色并帮助它散发雨水和水分。

蝴蝶翅膀上鳞片的发育

SEM 成像通常用于可视化蝴蝶翅膀上发育的鳞片(显示了两个单独的鳞片,左上角); 一种使用定量相位成像来更详细地显示各个指标的新方法(右上角和底部)。 鳞片的宽度约为 50 µm。 信用:安东尼麦克杜格尔和松山康

该团队的研究于今天(2021 年 11 月 22 日)发表于 美国国家科学院院刊,提供了对蝴蝶鳞片新兴结构的最详细的了解。 新的可视化还可以作为设计新功能材料的蓝图,例如虹彩窗户和防水纺织品。

“蝴蝶的翅膀通过精确塑造其翅膀鳞片的骨骼结构来控制它的许多特征,”主要作者、麻省理工学院机械工程系研究助理安东尼麦克杜格尔说。 “例如,这种策略可用于为汽车和建筑物赋予颜色和自清洁特性。现在我们可以从这些复杂的微纳米结构材料中蝴蝶的结构控制中学习。”

McDougall 的合著者包括麻省理工学院博士后 Songsam Kang、研究科学家 Zahid Yacoub、机械与生物工程教授 Peter Sue 和机械工程教授 Matthias Kohli。

萤火虫场

蝴蝶翅膀的横截面显示出复杂的鳞片和肋骨支架,其结构和排列因物种而异。 这些微观特征充当微小的反射器,将光线反射到周围,为蝴蝶赋予色彩和光彩。 翼鳞上的刺充当微小的雨水槽和散热器,传递水分和热量,使昆虫保持凉爽和干燥。

研究人员试图复制蝴蝶翅膀的光学和结构特性,以设计新的太阳能电池和光传感器、防雨和耐热表面,甚至印有彩虹密码以防止伪造的钞票。 了解蝴蝶利用它们生长贝壳的过程可以帮助指导这种受生物学启发的技术的发展。

目前,关于体积形成的已知信息是基于发育和成熟蝴蝶翅膀的静止图像。

“先前的研究在特定的发展阶段提供了令人信服的快照;不幸的是,它们没有揭示随着天秤座结构增长而发生的事情的持续时间线和顺序,”库利说。 “我们需要看到更多才能开始更好地理解它。”

在他们的新研究中,他和同事们试图持续监测规模如何在活的、不断变化的蝴蝶中生长和聚集。 他们选择研究来自 凡妮莎·卡多伊,因为蝴蝶翅膀具有大多数鳞翅目物种的共同特征。

该团队在单独的容器中饲养 Lady Painter 幼虫。 一旦每只毛毛虫都被茧覆盖,标志着它开始变态,研究人员小心地切开薄薄的材料,并从角质层或发育中的翅膀的覆盖物上剥下一个小方块,露出下面生长的鳞片。 然后他们使用生物粘合剂在开口上粘上一个透明的盖子,形成一个窗口,通过它他们可以观察蝴蝶及其鳞片的形成。

为了可视化这种转变,Kolle 和 McDougal 与 Kang、Yaqoob 和 So 合作,他们是一种称为相位反转相关显微镜的成像专家。 该团队没有将宽光束照射到机翼上,这对敏感细胞可能具有光毒性,而是应用了“点场”——许多微小的光点,每个光点都照射在机翼上的特定点。 每个微小光的反射都可以平行于场中的每个其他点进行测量,以快速创建机翼结构的详细 3D 地图。

“斑点场就像成千上万的萤火虫,产生光点场,”他说。 “使用这种方法,我们可以隔离来自不同层的光,我们可以重建信息以有效地映射 3D 结构。”

通过翼鳞进行深度扫描

对蛹的亭部鳞片进行深度扫描,完成了其 83% 的转变。 左侧显示了由标尺反射的光量,而右侧的相位信息则显示了光线到达标尺的距离的更精细层次。 信用:麻省理工学院

建立关系

在他们对蝴蝶不断生长的翅膀的可视化中,该团队观察了高度详细特征的形成,从微米级的尺度到单个尺度上的微小纳米级边缘。

他们观察到,几天之内,这些细胞迅速排成一排,过了一会儿,它们分化为帽鳞(位于机翼顶部的那些)和地鳞(折叠在下面的那些)的交替模式。 当它们达到最终尺寸时,每个仪表都长出细长的边缘,类似于微小的波纹屋顶。

“很多这些阶段之前已经被理解和看到,但我们现在可以将它们拼凑在一起并不断观察正在发生的事情,为我们提供有关鳞片如何形成的细节的更多信息,”麦克杜格尔说。

有趣的是,研究小组发现鳞片上的凸起以一种意想不到的方式形成。 科学家们假设这些凹槽是压缩的结果:随着鳞片的增长,它们被认为像手风琴一样压缩。 但该团队的可视化显示,当被压缩时,鳞片不会像任何材料一样收缩,而是随着边缘出现在其表面上而继续变大。 这些测量表明需要另一种脊形成机制。 该小组希望在蝴蝶翅膀的开发过程中探索这一点以及其他过程,这有助于为新功能材料的设计提供信息。

“这篇论文的重点是蝴蝶翅膀表面的东西,”麦克杜格尔指出。 “但在表面之下,我们也可以看到细胞像岛屿一样铺设根部,将连接点发送到其他根部。在细胞组织的同时,表面下方存在连接。而在表面上,形成了鳞片,以及表面上的特征。秤自己。我们可以想象所有这些,这是一件非常好的事情。”

参考:2021 年 11 月 22 日, 美国国家科学院院刊.
DOI:10.1073/pnas.2112009118

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。

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