إذا قمت بالفرشاة على أجنحة الفراشة ، فمن المحتمل أن تحصل على رش ناعم من المسحوق. يتكون هذا الغبار من قشريات الأجنحة من مقاييس مجهرية دقيقة ، مئات الآلاف منها تُورق أجنحة فراشة مثل الألواح على سقف رقيق. يمنح هيكل هذه المقاييس وترتيبها الفراشة لونها وميضها ، ويساعدان في حماية الحشرة من العناصر.

الآن ، قام مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتصوير الرقصات المعقدة لمقاييس الفراشة التي تتشكل أثناء التحول. لاحظ الفريق وللمرة الأولى بشكل مستمر أن حراشف الجناح تنمو وتتجمع بينما تتحول فراشة نامية داخل شرنقتها.

مع بعض العمليات الجراحية البسيطة ونهج التصوير الذكي ، تمكن الباحثون من مشاهدة تشكيل حراشف الجناح في عينات من فانيسا كاردوي المعروفة باسم فراشة السيدة الملونة. لاحظوا أنه ، كأجنحة تتشكل ، تصطف الخلايا الموجودة على سطحه في صفوف منظمة أثناء نموها. تتمايز هذه الخلايا بسرعة إلى مقاييس "غطاء" و "أرضية" متداخلة ، مما ينتج نمطًا متداخلًا يشبه الألواح الخشبية. عندما تصل إلى حجمها الكامل ، تنبت القشور نتوءات رفيعة بطولها - وهي سمات مموجة صغيرة تتحكم في لون الحشرة وتساعدها على التخلص من المطر والرطوبة.

نشرت دراسة الفريق اليوم في جريدة وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم، يقدم نظرة أكثر تفصيلاً حتى الآن على الهندسة المعمارية الناشئة لمقاييس الفراشة. يمكن أن تكون التصورات الجديدة أيضًا بمثابة مخطط لتصميم مواد وظيفية جديدة ، مثل النوافذ ذات الألوان القزحية والمنسوجات المقاومة للماء.

يقول المؤلف الرئيسي أنتوني ماكدوغال ، مساعد باحث في قسم الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "تتحكم أجنحة الفراشة في العديد من سماتها من خلال تشكيل البنية الهيكلية لمقاييس أجنحتها بدقة". "يمكن استخدام هذه الإستراتيجية ، على سبيل المثال ، لإعطاء كل من خصائص اللون والتنظيف الذاتي للسيارات والمباني. الآن يمكننا التعلم من التحكم الهيكلي للفراشات في هذه المواد المعقدة ذات البنية النانوية الدقيقة. "

من بين المؤلفين المشاركين لماكدوغال في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ما بعد الدكتوراة سونغسام كانغ ، عالم الأبحاث زاهد يعقوب ، أستاذ الهندسة الميكانيكية والهندسة البيولوجية بيتر سو ، وأستاذ الهندسة الميكانيكية ماتياس كولي.

حقل اليراع

يكشف المقطع العرضي لجناح الفراشة عن سقالة معقدة من المقاييس والأضلاع التي يختلف هيكلها وترتيبها من نوع لآخر. تعمل هذه الميزات المجهرية كعاكسات صغيرة ، ترتد الضوء حولها لتعطي الفراشة لونها وتألقها. تعمل النتوءات الموجودة على حراشف الجناح كمزاريب مطر صغيرة ومشعات ، تقوم بنقل الرطوبة والحرارة للحفاظ على الحشرة باردة وجافة.

حاول الباحثون تكرار الخصائص البصرية والهيكلية لأجنحة الفراشة لتصميم خلايا شمسية جديدة وأجهزة استشعار ضوئية ، وأسطح مقاومة للأمطار والحرارة ، وحتى العملات الورقية المزخرفة بتشفيرات قزحية اللون لتثبيط التزوير. إن معرفة العمليات التي تسخرها الفراشات لتنمية قشورها يمكن أن يساعد في توجيه هذا النوع من تطوير التكنولوجيا المستوحاة من الأحياء.

حاليًا ، ما هو معروف عن تشكيل الحجم يعتمد على الصور الثابتة لأجنحة الفراشة النامية والناضجة.

"توفر الدراسات السابقة لقطات مقنعة في مراحل محددة من التطوير ؛ لسوء الحظ ، لا يكشفون عن الجدول الزمني المستمر وتسلسل ما يحدث مع نمو هياكل الميزان ، "يقول كولي. "كنا بحاجة لرؤية المزيد لبدء فهمه بشكل أفضل."

في دراستهم الجديدة ، سعى هو وزملاؤه إلى المراقبة المستمرة لكيفية نمو المقاييس وتجمعها في فراشة حية متغيرة. اختاروا دراسة عينات من فانيسا كاردوي، حيث أن أجنحة الفراشة لها ميزات مشتركة في معظم أنواع قشريات الأجنحة.

قام الفريق بتربية يرقات سيدة الرسام في حاويات فردية. بمجرد أن غطت كل كاتربيلر نفسها في شرنقة ، مما يشير إلى بداية تحولها ، قام الباحثون بقطع المادة الرقيقة بعناية وقشروا مربعًا صغيرًا من بشرة ، أو غطاء الجناح النامي ، وكشفوا المقاييس التي تنمو تحتها. ثم استخدموا مادة لاصقة حيوية لإلصاق غطاء شفاف فوق الفتحة ، مما أدى إلى إنشاء نافذة يمكنهم من خلالها مشاهدة الفراشة ومقاييسها تتشكل.

لتصور هذا التحول ، تعاون Kolle و McDougal مع Kang و Yaqoob و So - خبراء في نوع من التصوير يسمى الفحص المجهري لمرحلة انعكاس الارتباط. بدلاً من تسليط شعاع عريض من الضوء على الجناح ، والذي يمكن أن يكون سامًا ضوئيًا للخلايا الحساسة ، طبق الفريق "حقل بقعة" - العديد من نقاط الضوء الصغيرة ، كل منها يضيء على نقطة معينة على الجناح. يمكن قياس انعكاس كل ضوء صغير بالتوازي مع كل نقطة أخرى في الحقل لإنشاء خريطة مفصلة ثلاثية الأبعاد لهياكل الجناح بسرعة.

"الحقل المرقط يشبه الآلاف من اليراعات التي تولد مجالًا من نقاط الإضاءة" ، هكذا يقول. "باستخدام هذه الطريقة ، يمكننا عزل الضوء القادم من طبقات مختلفة ، ويمكننا إعادة بناء المعلومات لرسم خريطة فعالة لهيكل ثلاثي الأبعاد."

يصنع علاقات

في تصوراتهم لجناح الفراشة المتنامي ، راقب الفريق تشكيل ميزات مفصلة للغاية ، من المقاييس ذات الحجم الميكرومتر إلى الحواف الدقيقة التي يبلغ ارتفاعها نانومتر على المقاييس الفردية.

لاحظوا أنه في غضون أيام ، اصطفت الخلايا بسرعة في صفوف ، وبعد فترة وجيزة تمايزت في نمط متناوب من مقاييس الغطاء (تلك التي تعلو الجناح) والمقاييس الأرضية (تلك المطوية تحتها). عندما وصلوا إلى حجمهم النهائي ، نما كل مقياس طويل ، وحواف رفيعة تشبه الأسقف المموجة الصغيرة.

يقول ماكدوجال: "تم فهم الكثير من هذه المراحل ورؤيتها من قبل ، ولكن يمكننا الآن تجميعها معًا ومشاهدة ما يحدث باستمرار ، مما يعطينا مزيدًا من المعلومات حول تفاصيل كيفية تشكل المقاييس".

ومن المثير للاهتمام ، أن الفريق وجد أن النتوءات على المقاييس تشكلت بطريقة غير متوقعة. افترض العلماء أن هذه الأخاديد كانت نتيجة للضغط: مع نمو المقاييس ، كان يُعتقد أنها تنضغط مثل الأكورديون. لكن تصورات الفريق أظهرت أنه بدلاً من الانكماش مثل أي مادة عند ضغطها ، استمرت المقاييس في النمو في الحجم مع ظهور الحواف على سطحها. تشير هذه القياسات إلى ضرورة وجود آلية أخرى لتشكيل التلال. تأمل المجموعة في استكشاف هذا ، وعمليات أخرى في تطوير جناح الفراشة ، والتي يمكن أن تساعد في إعلام تصميم المواد الوظيفية الجديدة.

"تركز هذه الورقة على ما يوجد على سطح جناح الفراشة ،" يلاحظ ماكدوغال. "ولكن تحت السطح ، يمكننا أيضًا رؤية الخلايا تضع الجذور مثل الجزر ، وترسل الوصلات إلى الجذور الأخرى. هناك اتصالات تحت السطح بينما تنتظم الخلايا. وعلى السطح ، تتشكل المقاييس ، جنبًا إلى جنب مع السمات الموجودة على المقاييس نفسها. يمكننا تخيل كل ذلك ، وهو أمر جميل حقًا رؤيته ".

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل مؤسسة العلوم الوطنية.