令人着迷:科学家分享蝴蝶鳞片在蛹内形成的视频

蝴蝶的开始是奇妙的。毛毛虫轻轻地依偎在它的茧里,然后变成了一个仙女般的生物,它的每只翅膀上都有精心布置的彩虹色的鳞片。科学家们一直在逐一拼凑这种神奇的蜕变是如何发生的。现在,他们解开了另一个步骤:鳞片的形成。

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来自麻省理工学院的一组科学家通过直接观察一只正在蜕变的毛虫的蛹--一只正在变成彩蝶的蛹--记录了昆虫在蜕变过程中的鳞片。这些令人惊叹的镜头和选定的图像周一发表在《PNAS》上。

这些蝴蝶的翅膀不仅仅是美丽的。了解它们的结构图最终可以让窗户和热系统等建筑材料受益,甚至为纺织品带来空灵的品质。

MIT机械工程副教授、该研究的论文合著者Mathias Kolle在一份声明中说道:“以往的研究在发展的特定阶段提供了引人注目的快照;然而遗憾的是,它们没有揭示出规模结构成长过程中发生的连续时间线和顺序。我们需要看到更多,以便开始更好地理解它。”

首先,研究人员在毛虫开始转变时,小心翼翼地切入它那薄如纸的蛹。然后,他们剥去发育中的翅膀的一个角质层或覆盖层进而暴露出下面的萌芽鳞片。

但为了保证即将诞生的蝴蝶宝宝的安全,他们在切口上放置了一个透明的覆盖物。这样一来,毛虫可以继续自然进化,而研究小组则可以获得一个非常好的观察视角。

MIT机械工程系的研究员、该研究的论文第一作者Anthony McDougal指出:“这篇论文侧重于蝴蝶翅膀表面的东西......但在表面之下,我们也可以看到细胞像胡萝卜一样扎下根来并发出跟其他根的连接。随着细胞的组织,表面下有交流,而在表面上,鳞片正在形成。我们可以直观地看到这一切 -- 这真的很美。”

为了分离出半透明的鳞片结构,研究小组使用了一个“斑点场”来突出每一个通风的、五颜六色的薄片。他们没有采用传统的光束--因为光束往往很宽且可能通过紫外线辐射损坏鳞片--而是在特定的点上照射微小的光斑。

MIT机械工程和生物工程教授Peter So说道:“一个斑点场就像成千上万的萤火虫,产生一个照明点的场。通过使用这种方法,我们可以隔离来自不同层的光线并可以重建信息以有效地映射出一个3D结构。”

那么得到的结果是什么?--令人叹为观止。

虽然镜头里存在一堆噪音--主要是左上角的鳞片边缘,但鳞片进化的步骤很容易看到。在几天内,细胞开始排队并排列成一个类似瓦片的模式,一些细胞则被压在其他细胞下面。

随着它们的继续生长,它们以一种意想不到的方式形成了它们特有的脊。鳞片没有像研究人员怀疑的那样逐渐皱成手风琴形状,而是突然产生了一种波浪状。该小组希望在未来的项目中更深入地研究脊线形成的确切机制。

McDougal表示:“这些阶段中的很多都是以前了解和看到的,但现在我们可以把它们全部拼接在一起并连续观察正在发生的事情,这给了我们更多关于鳞片如何形成的细节信息。”

从童话到现实

除了神秘的吸引力之外,蝴蝶的翅膀也令人着迷,因为它们为许多人类制造的物品提供了一个理想的蓝图,特别是它们的鳞片,拥有一些功利性的特征。

研究小组指出,这种复杂的结构有助于昆虫在热的时候降温并在雨天沿着它们的脊背甩掉水分。但也许最引人注目的是,这些鳞片利用一种叫做结构着色的概念,它在没有任何色素的情况下发出颜色。

跟标准的颜料或染料(吸收或反射特定波长的电磁辐射并发出相应的颜色)相比,结构着色并不依赖于化学成分。相反,物理结构是关键。

在蝴蝶的翅膀上,每个鳞片的位置是这样的:光线被独特地散射;我们的眼睛接收到跟这种散射有关的特定颜色。这就是为什么一些有光泽的昆虫在不同的角度看起来会改变颜色。

实际上,结构性颜色已经激发了一些不同的产品,比如研究人员发明的可持续闪粉,他们希望借此能减轻对微塑料的使用。“这种策略可能会被使用,如给汽车和建筑物同时赋予颜色和自清洁特性,”McDougal说道,“现在我们可以从蝴蝶对这些复杂的微纳米结构材料的结构控制中学习。”

事实证明,蝴蝶的翅膀不仅仅是精致的。它们是由可能是我们拥有的最接近仙尘的鳞片偶然建成的。

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