原理_揭秘一种美丽结构的生长

由 糖兽 发表于2021-11-25 20:30:00




如果用小刷子刷动蝴蝶的翅膀,你会发现小刷子上很可能就沾上了一层薄薄的粉末,这种粉尘常见于鳞翅目昆虫中,它由微小的鳞片组成。成千上万这样的极薄鳞片像屋顶上的瓦片一样排列,构成了蝴蝶的翅膀,形成了衍射光栅,赋予了蝴蝶以颜色和光泽,并保护它们免受恶劣环境的伤害。


蝴蝶的翅膀所呈现出的明亮的虹彩,并非来自任何色素分子,而是源自于翅膀的结1938年,蝴蝶翅膀的生长在被首次记录以来,这些美丽的结构就一直吸引着科学家们的注意。因为它们所具有的独特的光学和结构性质,能有助于启发我们设计出新的材料和器件。


只可惜,目前科学家对于这些鳞片形成的了解,仍然仅限于一些正在发育的或已经成熟的蝴蝶翅膀的静态图像。如此一来,科学家只能了解翅鳞在特定发展阶段的情况,而无法揭示鳞片结构在生长过程中的连续时间线和事件发生顺序。


现在,一组科学家运用更先进的成像技术,进一步揭示了这个复杂的过程。他们首次连续观察到一个发育中的蝴蝶在其蛹内转变时,其翅鳞的生长和组装,这为蝴蝶鳞片的结构提供了迄今为止最详细的观察研究人员将新的研究结果发表在了近期的《美国国家科学院院刊》上,



蝴蝶翅膀的横截面呈现出复杂的鳞片支架和脊状物,其结构和排列因物种而异。这些微观特征就像是微小的反射器,可以反射周围的光。翅鳞上的脊状物就像微型的水槽和散热器,能够汇集水分和热量,使昆虫保持凉爽和干燥。


在新的研究中,研究人员在实验室里培育了许多小红蛱蝶Vanessa cardui之所以选择小红蛱蝶作为研究对象,是因为这种蝴蝶的翅膀具有大多数鳞翅目动物共有的特征。


 小红蛱蝶(Vanessa cardui)| 图片来源:kie-ker / Pixabay


在实验中,小红蛱蝶的幼虫被分批饲养在单独的容器中,一旦这些幼虫被包裹进蛹,就标志着其蜕变成蝴蝶的过程开始了。这时,研究人员会采用几个精细的“外科手术”步骤,来观察翅膀在蛹的内部的发育情况。


首先,他们用手术刀切除部分表皮从而暴露出前翅,在这个过程中,蛹会被麻醉。然后,他们用一种生物粘合剂在被切除的区域放置一块盖玻片,并用一个光固化灯对其进行密封。在处理后翅时,研究人员会抓住蛹的表皮和前翅,将它们向头部方向折叠,并用一种复合材料线条来分离后翅和前翅。接着,他们会再次使玻片来保护暴露的翅膀,这样的操作过程创造出了一个窗口,通过这个窗口,研究人员得以在一个活体蝴蝶身上观察它的鳞片的后续生长过程。

在一切就绪之后,研究人员需要用一种特殊的成像方法来捕捉翅鳞的形成,因为简单地将宽光束照射在翅鳞上,可能会对那些脆弱的细胞造成伤害。他们使用了一种被称为散斑相关反射相位显微术的成像方法,这种所谓的“散斑场”方法会用到许多的小光点,每个光点都照射在翅鳞上的一个特定点上。每一束微小光线的反射都可以与电场中的其他点并行测量,从而快速绘制出翅鳞结构的详细三维图像。


 这是对蛹中的一只已经完成83%的变形的翅膀进行的深度扫描。左边显示的是鳞片所反射的光的量,右边的相位信息显示了光到达鳞片的距离。| 图片来源:MIT


在对蝴蝶翅膀生长的可视化中,研究小组以极高的细节观测到了一些特征的形成,从微米大小的鳞片到更细的、纳米级的单个鳞片上的脊。他们观察到,翅膀表面的细胞能在几天的时间内迅速排成一行,这些细胞会迅速分化为上下交替覆盖的鳞片,产生重叠的瓦片状模式它们长到足够大时,每个鳞片都变得又长又薄,形成一种微小的波纹状特征,能够控制翅膀的颜色,并帮助它排出雨水和水分



蝴蝶的翅膀通过精确地形成鳞结构来控制它们的许多属性,研究人员希望,这项研究能够帮助我们设计出具有特殊颜色或功能的材料。其实,在此之前,科学家已经看到并了解多翅鳞的生长阶段,但直到现在,研究人员才可以将这些信息缝合在一起,得到一个连续的观察结果,为鳞片的形成细节提供更多信息。

#创作团队:

文:糖兽

#参考来源:

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

https://arstechnica.com/science/2021/11/metamorphosis-scientists-watch-butterfly-wings-grow-inside-chrysalis-in-real-time/

#图片来源

封面图:Anthony McDougal and Sungsam Kang

作者:糖兽

公众号:原理

发布时间:2021-11-25 20:30:00