Если вы коснетесь крыльев бабочки, скорее всего, у вас получится мелкая посыпка порошка. Эта пыль чешуекрылых состоит из крошечных микроскопических чешуек, сотни тысяч которых накрывают крылья бабочки, как черепица на тонкой, как вафля, крыше. Структура и расположение этих чешуек придают бабочке ее цвет и мерцание, а также помогают защитить насекомое от непогоды.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института запечатлели сложную хореографию чешуек бабочки, образующихся во время метаморфоз. Команда впервые непрерывно наблюдала, как чешуйки крыльев растут и собираются по мере того, как развивающаяся бабочка трансформируется внутри куколки.

С помощью небольшой хирургической операции и умного подхода к визуализации исследователи смогли наблюдать, как формируются чешуйки крыльев у образцов Ванесса кардуи, широко известная как бабочка нарисованная леди. Они заметили, что по мере формирования крыла клетки на его поверхности выстраиваются в упорядоченные ряды по мере роста. Эти клетки быстро дифференцируются в чередующиеся «покровные» и «наземные» чешуйки, образуя перекрывающийся узор, напоминающий черепицу. Когда они достигают своего полного размера, на чешуе появляются тонкие гребни по всей длине - крошечные гофрированные элементы, которые контролируют цвет насекомого и помогают ему отводить дождь и влагу.

Исследование команды, опубликованное сегодня в Труды Национальной академии наук, предлагает наиболее подробный взгляд на зарождающуюся архитектуру чешуек бабочек. Новые визуализации также могут служить планом для разработки новых функциональных материалов, таких как радужные окна и водонепроницаемые ткани.

«Крылья бабочки контролируют многие из своих атрибутов, точно формируя структурную архитектуру чешуек крыла», - говорит ведущий автор Энтони Макдугал, научный сотрудник отдела машиностроения Массачусетского технологического института. «Эта стратегия может быть использована, например, для придания цвету и самоочищающимся свойствам автомобилям и зданиям. Теперь мы можем учиться у бабочек, контролирующих структуру этих сложных микронаноструктурированных материалов ».

Соавторами Макдугала в Массачусетском технологическом институте являются постдок Сунгсам Канг, ученый-исследователь Захид Якуб, профессор машиностроения и биологической инженерии Питер Со и доцент кафедры машиностроения Матиас Колле.

Поле светлячков

Поперечное сечение крыла бабочки показывает замысловатый каркас из чешуек и ребер, структура и расположение которых варьируются от вида к виду. Эти микроскопические элементы действуют как крошечные отражатели, отражая свет, придавая бабочке ее цвет и сияние. Гребни на чешуе крыльев служат миниатюрными водосточными желобами и радиаторами, отводящими влагу и тепло, чтобы насекомое было прохладным и сухим.

Исследователи попытались воспроизвести оптические и структурные свойства крыльев бабочки, чтобы разработать новые солнечные элементы и оптические датчики, устойчивые к дождю и жаропрочным поверхностям и даже бумажные деньги с радужным шифрованием, чтобы воспрепятствовать подделке. Знание того, какие процессы используют бабочки для выращивания своей чешуи, может помочь в дальнейшем направлении развития технологий, основанных на биоинспекциях.

В настоящее время все, что известно об образовании чешуек, основано на неподвижных изображениях развивающихся и зрелых крыльев бабочки.

«Предыдущие исследования дают убедительные снимки на отдельных этапах разработки; к сожалению, они не раскрывают непрерывную временную шкалу и последовательность того, что происходит по мере роста масштабных структур », - говорит Колле. «Нам нужно было увидеть больше, чтобы лучше понять это».

В своем новом исследовании он и его коллеги стремились постоянно наблюдать, как чешуйки растут и собираются в живой трансформирующейся бабочке. Они решили изучить образцы Ванесса Кардуи, поскольку крылья бабочки имеют черты, общие для большинства видов чешуекрылых.

Команда выращивала гусениц Painted Lady в индивидуальных контейнерах. После того, как каждая гусеница заключила себя в куколку, что указывало на начало ее метаморфозы, исследователи осторожно разрезали тонкий, как бумага, материал и сняли небольшой квадрат кутикулы или покрытия развивающегося крыла, обнажив чешуйки, растущие под ним. Затем они использовали биоадгезив, чтобы наклеить прозрачное покровное стекло на отверстие, создав окно, через которое они могли наблюдать, как бабочка и ее чешуя продолжали формироваться.

Чтобы визуализировать это преобразование, Колле и Макдугал объединились с Кангом, Якубом и Со - экспертами в области визуализации, называемой спекл-корреляционной фазовой микроскопией. Вместо того, чтобы направить на крыло широкий луч света, который может быть фототоксичным для хрупких клеток, команда применила «спекл-поле» - множество маленьких светящихся точек, каждая из которых освещает определенную точку на крыле. Отражение каждого крошечного источника света можно измерить параллельно с любой другой точкой поля, чтобы быстро создать подробную трехмерную карту структур крыла.

«Пятнистое поле похоже на тысячи светлячков, которые создают поле из светящихся точек», - говорит Со. «Используя этот метод, мы можем изолировать свет, исходящий от разных слоев, и можем реконструировать информацию, чтобы эффективно отобразить структуру в 3D».

Установление связей

При визуализации растущего крыла бабочки команда наблюдала за формированием очень подробных деталей, от чешуек микрометрового размера до даже более мелких гребней нанометровой высоты на отдельных масштабах.

Они заметили, что в течение нескольких дней клетки быстро выстраивались в ряды и вскоре после этого дифференцировались в чередующемся паттерне покровных чешуек (те, что лежали над крылом) и наземных чешуек (те, что спрятаны под ними). По мере того, как они достигли своего окончательного размера, каждая чешуя вырастала длинными тонкими гребнями, напоминающими крошечную гофрированную крышу.

«Многие из этих этапов были поняты и наблюдались раньше, но теперь мы можем соединить их все вместе и непрерывно наблюдать за происходящим, что дает нам больше информации о деталях формирования чешуек», - говорит Макдугал.

Интересно, что команда обнаружила, что гребни на чешуе образовались неожиданным образом. Ученые предположили, что эти бороздки были следствием сжатия: по мере роста чешуи они, как считалось, сжимались, как гармошка. Но визуализации команды показали, что вместо того, чтобы сжиматься, как любой материал при сжатии, чешуйки продолжали увеличиваться в размерах, поскольку на их поверхности появлялись гребни. Эти измерения предполагают, что должен действовать другой механизм образования гребней. Группа надеется изучить этот и другие процессы в разработке крыла бабочки, которые могут помочь в разработке новых функциональных материалов.

«В этой статье основное внимание уделяется тому, что находится на поверхности крыла бабочки», - отмечает Макдугал. «Но под поверхностью мы также можем видеть, как клетки откладывают корни, как морковь, и отправляют связи с другими корнями. Когда клетки организуются, под поверхностью есть коммуникация. А на поверхности чешуйки образуются вместе с особенностями на самих чешуях. Мы можем все это визуализировать, и это действительно прекрасно ».

Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом.