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蛹をのぞくと、ビデオは蝶の羽の鱗の成長を明らかにします

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蝶の羽にブラシをかけると、粉を細かく振りかけることができます。 この鱗翅目塵は小さな微細な鱗で構成されており、その何十万もの鱗が、薄い屋根の帯状疱疹のように蝶の羽を覆っています。 これらの鱗の構造と配置は、蝶にその色ときらめきを与え、昆虫を要素から保護するのに役立ちます。

現在、MITのエンジニアは、変態中に形成される蝶の鱗の複雑な振り付けをキャプチャしました。 チームは、成長中の蝶が蛹の中で変形するにつれて、羽の鱗が成長して組み立てられるのを初めて継続的に観察しました。

いくつかのマイナーな手術と巧妙な画像化アプローチにより、研究者はの標本で翼の鱗が形成されるのを見ることができました ヴァネッサカルドゥイ、 一般的にヒメアカタテハ蝶として知られています。 彼らは、翼が形成されるにつれて、その表面の細胞が成長するにつれて整然とした列に並ぶことを観察しました。 これらの細胞は、「カバー」と「グラウンド」のスケールが交互に現れるようにすばやく分化し、重なり合う鉄片のようなパターンを生成します。 フルサイズに達すると、鱗はその長さに沿って細い尾根を発芽させます。これは、昆虫の色を制御し、雨や湿気を逃がすのに役立つ小さな波形の特徴です。

チームの調査は、本日、 米国科学アカデミー紀要は、蝶の鱗の新進のアーキテクチャでこれまでで最も詳細な外観を提供します。 新しい視覚化は、虹色の窓や防水テキスタイルなどの新しい機能性素材を設計するための青写真としても役立つ可能性があります。

「蝶の羽は、羽の鱗の構造的構造を正確に形成することによって、その属性の多くを制御します」と、MITの機械工学科の研究助手である筆頭著者のAnthonyMcDougalは述べています。 「この戦略は、たとえば、自動車や建物に色とセルフクリーニングの両方の特性を与えるために使用される可能性があります。 今では、これらの複雑なマイクロナノ構造材料の蝶の構造制御から学ぶことができます。」

MITでのMcDougalの共著者には、postdoc Sungsam Kang、研究科学者Zahid Yaqoob、機械工学および生物工学のPeter So教授、機械工学のMathiasKolle准教授が含まれます。

ホタル畑

蝶の羽の断面は、その構造と配置が種ごとに異なる鱗と肋骨の複雑な足場を示しています。 これらの微視的な特徴は小さな反射体として機能し、蝶にその色と輝きを与えるために光を跳ね返します。 翼の鱗の尾根は、ミニチュアの雨樋とラジエーターとして機能し、湿気と熱を注ぎ込んで昆虫を涼しく乾燥させます。

研究者たちは、蝶の羽の光学的および構造的特性を複製して、新しい太陽電池と光学センサー、耐雨性と耐熱性の表面、さらには虹色の暗号化でパターン化された紙幣でさえ、偽造を防ぐように設計しようとしました。 蝶が鱗を成長させるために利用するプロセスを知ることは、この種の生物に触発された技術開発をさらに導くのに役立つ可能性があります。

現在、鱗の形成について知られていることは、発達中の成熟した蝶の羽の静止画像に基づいています。

「以前の研究は、開発の選択された段階で説得力のあるスナップショットを提供します。 残念ながら、スケール構造が成長するにつれて何が起こるかについての継続的なタイムラインとシーケンスは明らかにされていません」とKolle氏は言います。 「私たちはそれをよりよく理解し始めるためにもっと見る必要がありました。」

彼らの新しい研究では、彼と彼の同僚は、生きている、モーフィングする蝶の中で鱗がどのように成長し、組み立てられるかを継続的に観察することを目指しました。 彼らはの標本を研究することを選びました ヴァネッサカルドゥイ、蝶の羽はほとんどの鱗翅目種に共通する特徴を持っているので。

チームは、個々のコンテナでヒメアカタテハの幼虫を育てました。 それぞれの毛虫が蛹に包まれ、変態の始まりを示したら、研究者たちは紙のように薄い材料に注意深く切り込み、小さな正方形のキューティクル、または発達中の翼の覆いをはがし、下に成長している鱗を露出させました。 次に、生体接着剤を使用して、開口部に透明なカバースリップを貼り付け、蝶とその鱗が形成され続けるのを見ることができる窓を作成しました。

この変換を視覚化するために、KolleとMcDougalは、スペックル相関反射位相差顕微鏡と呼ばれるタイプのイメージングの専門家であるKang、Yaqoobなどと協力しました。 チームは、繊細な細胞に光毒性を示す可能性のある広い光線を翼に当てるのではなく、「スペックルフィールド」を適用しました。これは、それぞれが翼の特定の点を照らす多くの小さな光点です。 各小さな光の反射をフィールド内の他のすべてのポイントと並行して測定し、翼の構造の詳細なXNUMX次元マップをすばやく作成できます。

「斑点のあるフィールドは、照明ポイントのフィールドを生成する何千ものホタルのようなものです」とSoは言います。 「この方法を使用すると、さまざまなレイヤーからの光を分離し、情報を再構築して構造を3Dで効率的にマッピングできます。」

GIF
変態の83%を完了した蛹の羽の鱗を介した深度スキャン。 左側はスケールによって反射された光の量を示し、右側の位相情報は光がスケールまで移動した距離のより細かいグラデーションを示しています。

接続する

チームは、成長する蝶の羽を視覚化して、マイクロメートルサイズの鱗から、個々の鱗のさらに細かいナノメートルの高さの尾根まで、非常に詳細な特徴の形成を観察しました。

彼らは、数日以内に、細胞がすぐに列に並び、すぐにカバースケール(翼の上にあるもの)と地面のスケール(下に隠れているもの)の交互のパターンで分化したことを観察しました。 それらが最終的なサイズに達すると、各スケールは長く、小さな波形の屋根に似た薄い尾根に成長しました。

「これらの段階の多くは以前に理解され、見られましたが、今ではそれらをすべてつなぎ合わせて、何が起こっているかを継続的に見ることができます。これにより、スケールがどのように形成されるかについての詳細がわかります」とMcDougal氏は言います。

興味深いことに、チームは、スケール上の隆起が予期しない方法で形成されていることを発見しました。 科学者たちは、これらの溝は圧縮の結果であると考えていました。鱗が成長するにつれて、それらはアコーディオンのように押し込まれると考えられていました。 しかし、チームの視覚化では、圧縮時に他の材料のように収縮するのではなく、隆起が表面に現れるにつれてスケールのサイズが大きくなり続けることが示されました。 これらの測定値は、別の尾根形成メカニズムが機能している必要があることを示唆しています。 このグループは、これと、新しい機能性材料の設計に情報を提供するのに役立つ蝶の羽の開発における他のプロセスを調査したいと考えています。

「この論文は、蝶の羽の表面にあるものに焦点を当てています」とMcDougal氏は述べています。 「しかし、表面の下には、細胞がニンジンのような根を下ろし、他の根への接続を送信しているのも見ることができます。 細胞が組織化するにつれて、表面の下にコミュニケーションがあります。 そして表面的には、スケール自体の特徴とともに、スケールが形成されています。 すべてを視覚化することができ、とても美しいです。」

この研究は、国立科学財団によって部分的にサポートされていました。

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出典:https://news.mit.edu/2021/butterfly-wing-scales-growth-1122

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