科学家们研究蝴蝶如何进化出“隐形的”翅膀

2021年06月18日 10:45 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒报道,许多动物为了自卫而进化出了伪装“战术”,但一些蝴蝶和飞蛾甚至走得更远。它们已经进化出透明的翅膀,使它们对捕食者来说几乎看不见。由海洋生物实验室(MBL)科学家领导的一个小组研究了这样一个物种的发展,即玻璃翼蝶Greta oto,以揭开这种天然“隐形技术的秘密。他们的工作发表在《实验生物学杂志》上。

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尽管动物的透明结构已被证实,但它们更经常出现在水生生物中。“这是一个有趣的生物学问题,因为陆地上没有那么多的透明生物,”研究主要作者Aaron Pomerantz指出,他是加州大学伯克利分校综合生物学的博士生。“所以我们提出了这样一个问题:它们如何创造出透明的翅膀的实际发育基础是什么?”

蝴蝶的翅膀以其五颜六色的图案而闻名,这些图案是由微小的、重叠的、甲壳质的鳞片创造的,这些鳞片反射或吸收各种波长的光以产生颜色。Pomerantz说,尽管对鳞片着色进行了深入的研究,但对陆生蝴蝶的透明性的发育起源的调查以前还没有做过。他说:“透明度有点像颜色的反面。”

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Pomerantz和他的合著者,包括他的博士生导师和MBL主任Nipam Patel,从MBL的胚胎学课程的学生的工作中得到了启发。Patel说:“我决定把我收藏的一些透明的蝴蝶和飞蛾物种带到课程上,并作为一项挑战让学生们看看这些翅膀是如何透明的。”Patel表示:“一群学生通过用各种显微镜对翅膀进行成像来解决这个问题。他们意识到,几乎所有你能想到的使翅膀透明的方法,一些蝴蝶或飞蛾都想出了办法。这就是让我们更详细地研究透明的发展的原因。”

在这项工作的基础上,研究人员使用共聚焦和扫描电子显微镜构建了一个透明性如何在Greta oto中出现的发育时间尺度,从蛹阶段到成年期。他们发现,玻璃翼蝶的翅膀发育与不透明的物种不同,在以后发展为透明的区域,前体鳞片细胞的密度较低。在非常早期的阶段,鳞片的生长和形态是不同的,在透明区域发展出薄的、像鬃毛一样的鳞片,而在不透明区域内则是扁平的、圆形的鳞片形态。

“Greta oto所做的是制造更少的鳞片,并将它们做成这些非常不同的、类似于刚毛的形状,”Patel解释说。“但是把鳞片弄出来只是创造透明度问题的一部分。Aaron还对机翼上的纳米结构进行了一系列观察,这些结构在明亮的阳光下可以防止眩光。“当光线照射到这些纳米结构的小阵列上时,它不会反射,而是直接穿过。因此,这提供了更好的透明度,”他说。

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Patel说:“作为人类,我们认为自己很聪明,因为我们想出了如何在玻璃上涂抹防眩光涂层,但蝴蝶基本上在几千万年前就想出了这个办法。”

不寻常的翅膀鳞片和纳米结构只是故事的一部分。第二层蜡质碳氢化合物纳米柱位于翅膀表面,提供进一步的抗反射特性。研究人员检查了用正己烷去除蜡质层之前和之后的翅膀的反射率。

"我们测量了从机翼上反射的光量,"Pomerantz说。"这些实验表明,上层对于帮助减少眩光非常重要。生化分析表明,蜡质层主要由长链正烷烃组成,与其他昆虫物种中发现的蜡质层相似。它们主要被认为是帮助防止昆虫变干或变干的东西。但在这种情况下,似乎它们也被用于这些防眩光特性。"

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未来的研究方向可能包括更深入地研究这些透明结构是如何演变的。Pomerantz指出,“如果我们能更多地了解大自然是如何创造新型纳米结构的,这对人类的应用会有很大的启发。”

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