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发育过程中的“鳞鳞波浪”,造就了蝴蝶迷人的闪光翅膀

前瞻网    2021-11-25 19:32

 

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与许多仅依靠色素来呈现颜色的充满活力的昆虫不同,蝴蝶的光芒四射有一个特殊的来源:翅膀上微观鳞片的精确结构和排列。这些小而强大的鳞片提供彩虹色以及维持体温和抵御元素。

麻省理工学院的科学家们第一次设计了一种方法来观察和记录这些微观尺度,因为它们在蛹内发育中的蝴蝶身上生长和贴砖。该团队饲养了小红蛱蝶Vanessa cardui,等待毛毛虫将自己包裹在蛹中。一旦变态开始,研究小组就会切入每个蛹的角质层,并用玻璃盖玻片覆盖开口,让他们能够通过那个窗口观察发育中的翅膀。该团队从头到尾记录了翅膀尺度的发展,并在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的发现。

蝴蝶鳞片是复杂的微观结构,但大部分关于它们的形成的知识都是基于发育和成熟蝴蝶翅膀的静止图像。该团队知道他们需要更清晰、更全面地了解蝴蝶翅膀的发育情况,以了解这些鳞片是如何工作的。

“先前的研究在特定的开发阶段提供了令人信服的快照;不幸的是,它们没有揭示随着规模结构增长而发生的连续时间线和顺序,”合著者兼机械工程师 Matthias Kolle 在一份声明中说,“我们需要更多发育过程中的数据才能更好地理解这一机制。”

为了可视化该连续序列,该团队使用了散斑相关反射相位显微镜,这是一种基于光的成像技术,可将散布的光斑场应用于目标。集中的宽光束可能会损坏脆弱的蝴蝶翅膀细胞——但这种方法可以创建详细的、三维的鳞片图,而不会造成残留损伤。合著者兼生物工程师 Peter So 将散斑场显微镜比作“产生照明点场的数千只萤火虫”。

由于他们的高分辨率成像,科学家们得以看见蝴蝶鳞片细胞在蛹形成后的几天内迅速排列成行。这些细胞发育成位于翅膀顶部的覆盖鳞片或生长在下方的底部鳞片。随着细胞继续生长,研究小组预计每个细胞都会像手风琴一样起皱和压缩。取而代之的是,每个单元格都形成了一种波纹,就像金属屋顶上的波纹一样。

作者希望进一步研究这种波纹的机制,寻求使用蝴蝶鳞片作为新材料设计的灵感。蝴蝶鳞片还有其他迷人的特性,例如防水性和调节温度的能力。主要作者兼机械工程师 Anthony McDougal 在一份声明中表示,了解鳞片的形成或许能够在未来应用于为汽车和建筑物赋予颜色和自清洁特性。

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责任编辑: 3976DBC

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