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如果触摸蝴蝶的翅膀，你的手上很有可能会沾上一些细粉。事实上，这些鳞粉是由极小的鳞片构成的，蝴蝶翅膀上覆盖着成千上万的鳞片，就像极薄屋顶上排列的瓦片一样。鳞片的结构及其排列方式使蝴蝶翅膀显示出颜色和光泽，因此，如果蝴蝶与周围环境的颜色相似，蝴蝶就能受到保护。
最近，美国麻省理工学院的科学家首次连续拍摄到在蛹蜕变为蝴蝶的过程中，鳞片是如何形成的。
研究人员选择观察一种叫做小红蛱蝶（Vanessa cardui）的蝴蝶，通过巧妙的成像方法，他们拍摄到了这种蝴蝶鳞片的形成过程。他们发现，在翅膀形成的过程中，翅膀表面的细胞会一行行整齐地排列。这些细胞迅速分化为交替的“覆盖”和“被覆盖”层，从而产生重叠的瓦片状图案。随后，鳞片会沿着纵向长出细长的脊。这种微小的波纹状纹理，能调控蝴蝶的颜色，并让雨水和露珠顺着鳞片流下。
相关的研究结果发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上。研究人员提供了目前最详尽的关于蝴蝶鳞片发育结构的图像，从而为设计诸如彩色玻璃和防水织物等新功能材料提供了思路。
安东尼·麦克杜格尔（Anthony McDougal，这项研究的第一作者）是美国麻省理工学院机械工程系的助理研究员。他表示，蝴蝶能够通过形成具有特定结构的鳞片，来调控其翅膀的许多特性。现在，通过学习蝴蝶控制鳞片结构的策略，我们或许也能开发出具有颜色和自清洁功能的汽车和建筑物。
小红蛱蝶的鳞片结构。图片来源：Anthony McDougal et al.,PNAS,2021
萤火虫亮场
蝴蝶翅膀的横截面表明，翅膀是由鳞片和翅脉组成的复杂骨架，结构和排列方式因物种而异。这些微小的结构就像小型的反射器，通过反射周围的光线，赋予翅膀颜色和光泽。鳞片上的脊就像微型水槽和散热器，能汇集水分、疏散热量，保持蝴蝶凉爽和干燥。
科学家试图复制蝴蝶翅膀的光学和结构特性，从而设计新型的太阳能电池和光学传感器、耐雨及耐热表面，甚至是纸币上的彩虹加密防伪条纹。了解蝴蝶生长鳞片的过程，能进一步推动这类仿生技术的发展。
科勒表示，此前我们对鳞片形成过程的了解主要来自于蝴蝶在特定生长阶段时的静态照片，但静态照片无法揭示随着鳞片结构生长所发生的连续过程。因此，为了更好地理解这个过程，我们需要观察更多。
在这项新研究中，科勒和同事连续观察了鳞片是如何在正在变态的活蝴蝶身上生长和聚集的。他们选择的观察样本小红蛱蝶具有大多数鳞翅目物种共有的特征。
科学家在单独的容器中饲养小红蛱蝶毛毛虫。当毛毛虫变为蛹准备开始变态时，科学家小心地切下一小块蛹，剥掉角质层，露出生长中的鳞片。然后，用生物黏合剂在开口上黏一块透明玻璃片覆盖。通过这个透明的窗口观察蝴蝶和鳞片的连续形成过程。
为了可视化这一过程，科勒和麦克杜格尔邀请了斑点相关反射相位显微镜成像技术的专家Kang、雅各布和索。为了避免对蝴蝶脆弱的细胞产生光学毒性，他们舍弃了将一束宽光束照射在翅膀上的方法，而是采用了“散斑场”（speckle field）——利用许多小光点，将每个光点都照射在翅膀的一个特定位置上。每一个小光点的反射都可以与电场中的其他点平行，从而测量并快速绘制出翅膀结构的三维图。
在蛹蜕变为蝴蝶的过程达到83%时，对蝴蝶鳞片的深度扫描分析。图片来源：Anthony McDougal et al.,PNAS,2021
索解释道，散斑场就像成千上万只萤火虫在一块地方产生了照明点，可以用它分离来自不同鳞片层的光，并重建结构信息，从而有效地绘制三维图像。
建立鳞片连接
在可视化蝴蝶翅膀生长的过程中，科学家观察到了微米级大小的鳞片，以及单个鳞片上更小的纳米尺度的条纹的形成。
在几天内，细胞迅速排列成行，并很快分化成盖鳞（覆盖层）和基鳞（被覆盖层）的交替模式。当它们长到最后的尺寸时，每个鳞片都会长出长而细的脊，就像极小的波浪形屋顶一样。
麦克杜格尔说，尽管此前已经观察到了这个过程的许多阶段，但这项研究拍摄到了连续的图像，这能为科学家提供更多关于鳞片形成的细节信息。
有趣的是，此前科学家认为，蝴蝶翅膀鳞片上的脊是经压缩产生的：如果鳞片继续生长就会像压缩手风琴一样被压缩，从而形成脊。不过，在这项研究中，研究人员发现鳞片仍在继续生长，与此同时，脊已经出现在鳞片表面。这表明脊可能并不是压缩形成的，而是由其他机理导致的。通过研究这一机理，以及蝴蝶翅膀生长时的其他过程，将有助于设计新的功能材料。
麦克杜格尔认为，研究的重点是蝴蝶翅膀的表面，但在表面之下，也可以看到鳞片细胞是如何扎根生长，并互相连接的。在鳞片细胞形成组织的过程中，在表面之上，鳞片正在生长，而在表面之下，细胞间也存在着交流。如今我们把这一美妙的过程用影像的方式可视化了出来。
撰文：珍妮弗·朱（Jennifer Chu）
翻译：谢汝雨
审校：王怡博
引进来源：物理学家组织网
本文来自：中国数字科技馆
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