Privind într-o crisalidă, videoclipuri uimitoare surprind aripi de fluturi care se formează în timpul metamorfozei

Scale mai mari, suprapuse, în roșu și verde, încep să-și formeze detaliile structurale la jumătatea dezvoltării (dreapta). Fiecare imagine are 75 µm lățime. Credit: Anthony McDougal și Sungsam Kang

Rezultatele ar putea informa designul de noi materiale precum ferestre irizate sau textile impermeabile.

Dacă periezi aripile unui fluture, probabil vei ieși cu un praf fin de pudră. Acest praf de lepidoptere este alcătuit din solzi microscopici mici, dintre care sute de mii acoperă aripile unui fluture precum șindrila pe un acoperiș ultra-subțire. Structura și aranjarea acestor solzi îi conferă fluturelui culoarea și strălucirea și ajută la protejarea insectei de elemente.

Acum, CU inginerii au surprins coregrafia complicată a solzilor de fluturi care se formează în timpul metamorfozei. Echipa a observat pentru prima dată în mod continuu solzii aripilor crescând și adunându-se pe măsură ce un fluture în curs de dezvoltare se transformă în interiorul crisalidei sale.

Cu o intervenție chirurgicală minoră și o abordare imagistică inteligentă, cercetătorii au reușit să observe formarea solzilor aripilor în specimenele de Vanessa cardui, denumită în mod obișnuit fluturele frumoase. Ei au observat că atunci când se formează o aripă, celulele de pe suprafața ei se aliniază în rânduri ordonate pe măsură ce cresc. Aceste celule se diferențiază rapid într-o alternanță de solzi „acoperire” și „sol”, producând un model asemănător șindrila suprapus. Când ating dimensiunea maximă, solzii formează creste fine de-a lungul lungimii lor – caracteristici minuscule, ondulate, care controlează culoarea insectei și o ajută să elimine ploaia și umezeala.

Dezvoltarea solzilor pe aripa fluturelui

Imagistica SEM este de obicei folosită pentru a vizualiza solzi în curs de dezvoltare pe o aripă de fluture (două scale individuale prezentate, stânga sus); o nouă abordare folosește imagistica cantitativă de fază pentru a afișa scalele individuale mai detaliat (dreapta sus și jos). Lățimea solzilor este de aproximativ 50 µm. Credit: Anthony McDougal și Sungsam Kang

Studiul echipei, publicat astăzi (22 noiembrie 2021) în Proceedings of the National Academy of Sciences, oferă cea mai detaliată imagine de până acum asupra arhitecturii emergente a solzilor de fluturi. Noile vizualizări ar putea servi și ca șablon pentru proiectarea de noi materiale funcționale, cum ar fi ferestre irizate și textile impermeabile.

READ  Nava spațială a capturat erupția masivă pe suprafața soarelui pentru prima dată

„Aripile de fluture controlează multe dintre atributele lor prin modelarea precisă a arhitecturii structurale a solzelor lor”, spune autorul principal Anthony McDougal, asistent de cercetare în cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică al MIT. „Această strategie poate fi folosită, de exemplu, pentru a conferi culori și proprietăți de auto-curățare automobilelor și clădirilor. Acum putem învăța din controlul fluturelui structural al acestor materiale micro-nanostructurate complexe. „

Co-autorii lui McDougal la MIT includ un coleg postdoctoral Sungsam Kang, cercetătorul Zahid Yaqoob, profesor de inginerie mecanică și biologică Peter So și profesor asociat de inginerie mecanică Mathias Kolle.

Un câmp de licurici

Secțiunea transversală a unei aripi de fluture dezvăluie o schelă complicată de solzi și nervuri care variază ca structură și aranjament de la specie la specie. Aceste trăsături microscopice acționează ca niște reflectoare minuscule, care respinge lumina pentru a da fluturelui culoarea și strălucirea. Crestele de pe solzile unei aripi servesc ca jgheaburi și încălzitoare în miniatură, canalizând umiditatea și căldura pentru a menține insecta rece și uscată.

Cercetătorii au încercat să reproducă proprietățile optice și structurale ale aripilor de fluture pentru a proiecta noi celule solare și senzori optici, suprafețe rezistente la ploaie și căldură și chiar bani de hârtie cu model de criptare iridescent pentru a descuraja falsificarea. Cunoașterea proceselor pe care fluturii le exploatează pentru a-și crește solzii ar putea ajuta la ghidarea în continuare a acestui tip de dezvoltare tehnologică bio-inspirată.

În prezent, ceea ce se știe despre formarea solzilor se bazează pe imagini statice ale aripilor de fluturi în curs de dezvoltare și mature.

„Studiile anterioare oferă instantanee convingătoare în anumite stadii de dezvoltare; Din păcate, ele nu dezvăluie cronologia și secvența continuă a ceea ce se întâmplă pe măsură ce structurile de scară cresc”, spune Kolle. „Trebuia să vedem mai mult pentru a începe să o înțelegem mai bine”.

READ  Mafia italiană „Ndrangheta” face raiduri în Europa

În noul lor studiu, el și colegii săi și-au propus să observe în mod continuu cum solzii cresc și se adună într-un fluture viu în procesul de transformare. Au ales să studieze exemplare de Vanessa Cardui, deoarece aripile fluturelui au caracteristici comune majorității speciilor de lepidoptere.

Echipa a crescut omizi Painted Lady în containere individuale. Odată ce fiecare omidă s-a blocat într-o crisalidă, indicând începutul metamorfozei sale, cercetătorii au tăiat cu grijă materialul subțire ca hârtie și au dezlipit un pătrat mic de cuticulă sau acoperire din aripa în curs de dezvoltare, expunând solzii care cresc dedesubt. Apoi au folosit un bioadeziv pentru a lipi o lamela transparentă peste deschidere, creând o fereastră prin care puteau urmări fluturele și solzii săi continuă să se formeze.

Pentru a vizualiza această transformare, Kolle și McDougal au făcut echipă cu Kang, Yaqoob și So, experți într-un tip de imagistică numit microscopie în fază de reflecție cu corelația speckle. În loc să proiecteze un fascicul larg de lumină pe aripă, care ar putea fi fototoxic pentru celulele delicate, echipa a aplicat un „câmp de pete” – multe puncte mici de lumină, fiecare strălucind pe un anumit punct de pe aripă. Reflexia fiecărei lumini mici poate fi măsurată în paralel cu fiecare alt punct din câmp pentru a crea rapid o hartă tridimensională detaliată a structurilor aripilor.

„Un câmp pătat este ca mii de licurici care generează un câmp de puncte de lumină”, spune So. „Folosind această metodă, putem izola lumina din diferite straturi și putem reconstrui informațiile pentru a mapa eficient o structură în 3D. „

Scanare profundă prin solzile aripilor

O măturare adâncă prin solzii aripilor unei nimfe care și-a încheiat 83% din metamorfoză. Stânga arată cantitatea de lumină reflectată de scale, în timp ce informațiile de fază din dreapta arată gradații mai fine în distanța pe care o parcurge lumina până la scale. Credit: MIT

Faceți conexiuni

În vizualizările lor ale aripii fluturelui în creștere, echipa a observat formarea unor caracteristici foarte detaliate, variind de la scale micrometrice până la creste și mai fine la scară nanometrică la scară individuală.

READ  Telescopul Hubble prezintă stele roșii, albe și albastre într-un cluster strălucitor

Ei au observat că în câteva zile celulele s-au aliniat rapid în rânduri și la scurt timp după aceea s-au diferențiat într-un model alternant de solzi de acoperire (cele care acoperă aripa) și solzi de sol (cele ascunse dedesubt). Pe măsură ce au ajuns la dimensiunea lor finală, fiecare scară a dezvoltat creste lungi și subțiri, asemănătoare cu acoperișuri minuscule ondulate.

„Mulți dintre acești pași au fost înțeleși și văzuți înainte, dar acum îi putem pune pe toți împreună și urmărim continuu ce se întâmplă, ceea ce ne oferă mai multe informații despre cum se formează cântarul”, explică McDougal.

Interesant, echipa a descoperit că crestele de pe solzi s-au format în mod neașteptat. Oamenii de știință au speculat că aceste șanțuri sunt o consecință a compresiei: pe măsură ce solzii creșteau, se credea că se micșorează ca un acordeon. Dar vizualizările echipei au arătat că, în loc să se micșoreze ca orice material atunci când este comprimat, solzii au continuat să crească pe măsură ce au apărut creste pe suprafața lor. Aceste măsurători sugerează că un alt mecanism de formare a crestelor trebuie să funcționeze. Grupul speră să exploreze acest lucru, precum și alte procese din aripa fluturelui în curs de dezvoltare, care pot ajuta la informarea proiectării de noi materiale funcționale.

„Acest articol se concentrează pe ceea ce se află pe suprafața aripii fluturelui”, notează McDougal. „Dar sub suprafață, putem vedea și celule care se înrădăcinează precum morcovii și trimit conexiuni către alte rădăcini. Există comunicare sub suprafață pe măsură ce celulele se organizează. Și la suprafață, se formează solzi, precum și caracteristici de pe cântarul în sine. Putem vizualiza totul, ceea ce este cu adevărat frumos de văzut.

Referință: 22 noiembrie 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073 / pnas.2112009118

Această cercetare a fost finanțată, parțial, de Fundația Națională pentru Știință.

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *