重叠的红色和绿色鳞片在开发过程中开始形成它们的结构细节
如果你刷蝴蝶的翅膀，你很可能会撒上一层细粉。这种鳞翅目尘埃由微小的微观鳞片组成，成千上万的鳞片在蝴蝶的翅膀上像薄薄的屋顶上的带状疱疹一样。这些鳞片的结构和排列赋予蝴蝶以颜色和光泽，并有助于保护昆虫免受外界环境的影响。
现在，麻省理工学院的工程师们捕捉到了蝴蝶鳞片在变形过程中形成的复杂编排。该团队首次连续观察到，随着发育中的蝴蝶在其蛹内变形，翅膀鳞片的生长和组装。
通过一些小手术和巧妙的成像方法，研究人员能够观察Vanessa cardui标本中翼鳞的形成，这些标本通常被称为彩绘蝴蝶。他们观察到，当翅膀形成时，其表面的细胞随着它们的生长而排列成一排。这些细胞迅速分化为交替的“覆盖”和“地面”鳞片，产生重叠的瓦状图案。当它们长到全长时，鳞片会沿着它们的长度长出细小的脊线——微小的波纹状特征可以控制昆虫的颜色并帮助它散发雨水和水分。
该团队的研究于今天（2021 年 11 月 22 日）发表在《美国国家科学院院刊》上，对蝴蝶鳞片的萌芽结构提供了迄今为止最详细的研究。新的可视化还可以作为设计新功能材料的蓝图，例如虹彩窗户和防水纺织品。
麻省理工学院机械工程系的研究助理、主要作者安东尼麦克杜格尔说：“蝴蝶翅膀通过精确地形成翅膀鳞片的结构结构来控制它们的许多属性。” “例如，这种策略可用于为汽车和建筑物赋予颜色和自清洁特性。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。”
McDougal 在麻省理工学院的合著者包括博士后 Sungsam Kang、研究科学家 Zahid Yaqoob、机械工程和生物工程教授 Peter So 以及机械工程副教授 Mathias Kolle。
萤火虫场蝴蝶翅膀的横截面显示出复杂的鳞片和肋骨支架，其结构和排列因物种而异。这些微观特征充当微小的反射器，使光线四处反射，赋予蝴蝶颜色和光泽。翅膀鳞片上的脊充当微型雨水槽和散热器，汇集水分和热量，使昆虫保持凉爽和干燥。
研究人员试图复制蝴蝶翅膀的光学和结构特性，以设计新的太阳能电池和光学传感器、防雨和耐热表面，甚至是带有彩虹色加密图案的纸币，以防止伪造。了解蝴蝶利用什么过程来扩大其规模可能有助于进一步指导这种受生物启发的技术开发。
目前，关于鳞片形成的已知信息是基于发育和成熟蝴蝶翅膀的静止图像。
“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，”Kolle 说。“我们需要看到更多才能开始更好地理解它。”
在他们的新研究中，他和他的同事希望不断观察鳞片如何在活的、变形的蝴蝶中生长和组装。他们选择研究Vanessa cardui 的标本，因为蝴蝶的翅膀具有大多数鳞翅目物种的共同特征。
该团队在单独的容器中饲养了彩绘女士毛虫。一旦每只毛毛虫都将自己包裹在蛹中，这表明它的蜕变开始了，研究人员小心地切开纸一样薄的材料，剥掉一小块角质层，或正在发育的翅膀的覆盖物，露出下面生长的鳞片。然后他们使用生物粘合剂将透明盖玻片粘在开口上，形成一个窗口，通过该窗口他们可以观察蝴蝶及其鳞片继续形成。
为了可视化这种转变，Kolle 和 McDougal 与 Kang、Yaqoob 和 So 合作 - 一种称为散斑相关反射相位显微镜的成像专家。该团队没有在机翼上照射可能对脆弱细胞产生光毒性的宽光束，而是应用了“散斑场”——许多小光点，每个光点都照射在机翼上的特定点上。每个微小光的反射可以与场中的每个其他点平行测量，以快速创建机翼结构的详细 3D 地图。
“一个有斑点的场就像成千上万的萤火虫产生一个照明点场，”苏说。“使用这种方法，我们可以隔离来自不同层的光，并可以重建信息以有效地映射 3D 结构。”
在他们对不断增长的蝴蝶翅膀的可视化中，该团队观察了高度详细特征的形成，从微米级的尺度到单个尺度上更精细的纳米级脊。
他们观察到，在几天之内，细胞迅速排列成行，并很快分化为覆盖鳞片（覆盖在机翼上的鳞片）和地鳞片（藏在下面的鳞片）的交替模式。当它们达到最终尺寸时，每个鳞片都会长出长而细的脊，类似于微小的波纹屋顶。
“很多这些阶段以前都被理解和看到过，但现在我们可以将它们全部拼接在一起并持续观察正在发生的事情，这为我们提供了有关尺度如何形成的细节的更多信息，”麦克杜格尔说。
有趣的是，该团队发现鳞片上的脊以一种意想不到的方式形成。科学家们假设这些凹槽是压缩的结果：随着鳞片的增长，它们被认为像手风琴一样挤压。但该团队的可视化结果表明，这些鳞片并没有像任何材料在压缩时那样收缩，而是随着其表面出现脊而继续增大。这些测量结果表明，另一种脊形成机制必须在起作用。该小组希望在蝴蝶翅膀的开发过程中探索这一点以及其他过程，这有助于为新功能材料的设计提供信息。
“这篇论文的重点是蝴蝶翅膀表面的东西，”麦克杜格尔指出。“但在表面之下，我们也可以看到细胞像胡萝卜一样扎根，并向其他根发出连接。随着细胞的组织，表面之下存在着交流。在表面上，鳞片正在形成，以及鳞片本身的特征。我们可以想象所有这些，这真的很美。”
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