Als je tegen de vleugels van een vlinder strijkt, kom je waarschijnlijk weg met een fijn strooisel van poeder. Dit stof van de lepidoptera bestaat uit minuscule microscopisch kleine schubben, waarvan honderdduizenden de vleugels van een vlinder als dakspanen op een flinterdun dak papier. De structuur en rangschikking van deze schubben geven een vlinder zijn kleur en glans, en helpen het insect te beschermen tegen de elementen.

Nu hebben MIT-ingenieurs de ingewikkelde choreografie vastgelegd van vlinderschubben die zich vormen tijdens metamorfose. Het team heeft voor het eerst continu waargenomen hoe de vleugelschubben groeien en samenkomen terwijl een zich ontwikkelende vlinder transformeert in zijn pop.

Met een kleine ingreep en een slimme beeldvormingsbenadering konden de onderzoekers de vleugelschubben zien vormen in exemplaren van Vanessa Cardui, algemeen bekend als de Painted Lady-vlinder. Ze merkten op dat, naarmate een vleugel wordt gevormd, cellen op het oppervlak in ordelijke rijen op een rij komen te staan ​​terwijl ze groeien. Deze cellen differentiëren snel in afwisselende "cover" en "ground" schalen, waardoor een overlappend grindachtig patroon ontstaat. Als ze hun volledige grootte bereiken, ontspruiten de schubben dunne richels over hun lengte - kleine gegolfde kenmerken die de kleur van het insect beheersen en het helpen regen en vocht af te werpen.

De studie van het team, vandaag gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences, biedt de meest gedetailleerde kijk tot nu toe op de ontluikende architectuur van vlinderschubben. De nieuwe visualisaties kunnen ook dienen als blauwdruk voor het ontwerpen van nieuwe functionele materialen, zoals iriserende ramen en waterdicht textiel.

"Vlinders beheersen veel van hun kenmerken door de structurele architectuur van hun vleugelschalen nauwkeurig te vormen", zegt hoofdauteur Anthony McDougal, een onderzoeksassistent bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT. “Deze strategie kan bijvoorbeeld worden gebruikt om auto's en gebouwen zowel kleur als zelfreinigende eigenschappen te geven. Nu kunnen we leren van de structurele controle van vlinders over deze complexe, micro-nanogestructureerde materialen.”

Tot de co-auteurs van McDougal aan het MIT behoren postdoc Sungsam Kang, onderzoekswetenschapper Zahid Yaqoob, hoogleraar werktuigbouwkunde en biologische technologie Peter So en universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Mathias Kolle.

Een vuurvliegveld

De dwarsdoorsnede van de vleugel van een vlinder onthult een ingewikkeld stelsel van schubben en ribben waarvan de structuur en rangschikking van soort tot soort verschilt. Deze microscopische kenmerken fungeren als kleine reflectoren, die het licht rondkaatsen om een ​​vlinder zijn kleur en glans te geven. De richels op de schubben van een vleugel dienen als miniatuur regengoten en radiatoren, die vocht en warmte naar binnen leiden om het insect koel en droog te houden.

Onderzoekers hebben geprobeerd de optische en structurele eigenschappen van vlindervleugels te repliceren om nieuwe zonnecellen en optische sensoren, regen- en hittebestendige oppervlakken te ontwerpen en zelfs papiergeld met een patroon van iriserende versleutelingen om vervalsing te ontmoedigen. Weten welke processen vlinders gebruiken om hun schubben te laten groeien, zou kunnen helpen om dit soort bio-geïnspireerde technologieontwikkeling verder te sturen.

Wat momenteel bekend is over schaalvorming is gebaseerd op stilstaande beelden van zich ontwikkelende en volwassen vlindervleugels.

“Eerdere onderzoeken bieden boeiende momentopnamen in bepaalde ontwikkelingsstadia; helaas onthullen ze niet de continue tijdlijn en volgorde van wat er gebeurt als schaalstructuren groeien”, zegt Kolle. "We moesten meer zien om het beter te begrijpen."

In hun nieuwe onderzoek keken hij en zijn collega's voortdurend hoe schubben groeien en samenkomen in een levende, veranderende vlinder. Ze kozen ervoor om exemplaren van Vanessa Cardui, omdat de vleugels van de vlinder kenmerken hebben die bij de meeste lepidoptera-soorten voorkomen.

Het team heeft Painted Lady-rupsen gefokt in individuele containers. Nadat elke rups zich in een pop had ingepakt, wat het begin van zijn metamorfose aanduidde, sneden de onderzoekers voorzichtig in het flinterdunne materiaal en pelden ze een klein vierkantje van de cuticula weg, of bedekking van de zich ontwikkelende vleugel, waardoor de schubben zichtbaar werden die eronder groeiden. Vervolgens gebruikten ze een bioadhesief om een ​​transparant dekglaasje aan over de opening te plakken, waardoor een venster ontstond waardoor ze konden kijken hoe de vlinder en zijn schubben zich bleven vormen.

Om deze transformatie te visualiseren, werkten Kolle en McDougal samen met Kang, Yaqoob en So - experts in een soort beeldvorming die speckle-correlatiereflectiefasemicroscopie wordt genoemd. In plaats van een brede lichtstraal op de vleugel te laten schijnen, die fototoxisch zou kunnen zijn voor de delicate cellen, paste het team een ​​"spikkelveld" toe - veel kleine lichtpuntjes die elk op een specifiek punt op de vleugel schijnen. De reflectie van elk klein lichtje kan parallel aan elk ander punt in het veld worden gemeten om snel een gedetailleerde, driedimensionale kaart van de vleugelstructuren te maken.

"Een gespikkeld veld is als duizenden vuurvliegjes die een veld van verlichtingspunten genereren", zegt So. "Met deze methode kunnen we het licht dat uit verschillende lagen komt isoleren en de informatie reconstrueren om op een efficiënte manier een structuur in 3D in kaart te brengen."

Connecties maken

In hun visualisaties van de groeiende vlindervleugel zag het team de vorming van zeer gedetailleerde kenmerken, van schalen ter grootte van een micrometer tot nog fijnere, nanometerhoge richels op individuele schalen.

Ze merkten op dat cellen binnen enkele dagen snel in rijen stonden opgesteld en kort daarna differentieerden in een afwisselend patroon van dekschalen (die boven de vleugel) en grondschubben (die eronder weggestopt). Toen ze hun uiteindelijke grootte bereikten, werden elke schaal lange, dunne richels die op kleine golfplaten leken.

"Veel van deze stadia werden al eerder begrepen en gezien, maar nu kunnen we ze allemaal samenvoegen en continu kijken wat er gebeurt, wat ons meer informatie geeft over de details van hoe schalen worden gevormd", zegt McDougal.

Interessant genoeg ontdekte het team dat richels op schubben zich op een onverwachte manier vormden. Wetenschappers hadden aangenomen dat deze groeven het gevolg waren van compressie: naarmate de schalen groter werden, dacht men dat ze zich naar binnen knijpen als een accordeon. Maar de visualisaties van het team toonden aan dat in plaats van te krimpen zoals elk materiaal zou doen wanneer het wordt samengeperst, de schubben in omvang bleven groeien naarmate er richels op hun oppervlak verschenen. Deze metingen suggereren dat een ander nokvormend mechanisme aan het werk moet zijn. De groep hoopt dit en andere processen in de zich ontwikkelende vlindervleugel te onderzoeken, die kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe functionele materialen.

"Dit artikel richt zich op wat zich op het oppervlak van de vlindervleugel bevindt", merkt McDougal op. "Maar onder het oppervlak kunnen we ook cellen zien die wortels neerleggen zoals wortels, en verbindingen naar andere wortels sturen. Er is communicatie onder het oppervlak terwijl cellen zich organiseren. En aan de oppervlakte vormen zich schubben, samen met kenmerken op de schubben zelf. We kunnen het allemaal visualiseren, dat is echt prachtig om te zien.”

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door de National Science Foundation.