重疊的紅色和綠色鱗片在開發過程中開始形成它們的結構細節

如果你刷蝴蝶的翅膀，你很可能會撒上一層細粉。這種鱗翅目塵埃由微小的微觀鱗片組成，成千上萬的鱗片在蝴蝶的翅膀上像薄薄的屋頂上的帶狀疱疹一樣。這些鱗片的結構和排列賦予蝴蝶以顔色和光澤，并有助于保護昆蟲免受外界環境的影響。

現在，麻省理工學院的工程師們捕捉到了蝴蝶鱗片在變形過程中形成的複雜編排。該團隊首次連續觀察到，随着發育中的蝴蝶在其蛹内變形，翅膀鱗片的生長和組裝。

通過一些小手術和巧妙的成像方法，研究人員能夠觀察Vanessa cardui标本中翼鱗的形成，這些标本通常被稱為彩繪蝴蝶。他們觀察到，當翅膀形成時，其表面的細胞随着它們的生長而排列成一排。這些細胞迅速分化為交替的“覆蓋”和“地面”鱗片，産生重疊的瓦狀圖案。當它們長到全長時，鱗片會沿着它們的長度長出細小的脊線——微小的波紋狀特征可以控制昆蟲的顔色并幫助它散發雨水和水分。

該團隊的研究于今天（2021 年 11 月 22 日）發表在《美國國家科學院院刊》上，對蝴蝶鱗片的萌芽結構提供了迄今為止最詳細的研究。新的可視化還可以作為設計新功能材料的藍圖，例如虹彩窗戶和防水紡織品。

麻省理工學院機械工程系的研究助理、主要作者安東尼麥克杜格爾說：“蝴蝶翅膀通過精确地形成翅膀鱗片的結構結構來控制它們的許多屬性。” “例如，這種策略可用于為汽車和建築物賦予顔色和自清潔特性。現在我們可以從蝴蝶對這些複雜的微納米結構材料的結構控制中學習。”

McDougal 在麻省理工學院的合著者包括博士後 Sungsam Kang、研究科學家 Zahid Yaqoob、機械工程和生物工程教授 Peter So 以及機械工程副教授 Mathias Kolle。

蝴蝶翅膀的橫截面顯示出複雜的鱗片和肋骨支架，其結構和排列因物種而異。這些微觀特征充當微小的反射器，使光線四處反射，賦予蝴蝶顔色和光澤。翅膀鱗片上的脊充當微型雨水槽和散熱器，彙集水分和熱量，使昆蟲保持涼爽和幹燥。

研究人員試圖複制蝴蝶翅膀的光學和結構特性，以設計新的太陽能電池和光學傳感器、防雨和耐熱表面，甚至是帶有彩虹色加密圖案的紙币，以防止僞造。了解蝴蝶利用什麼過程來擴大其規模可能有助于進一步指導這種受生物啟發的技術開發。

目前，關于鱗片形成的已知信息是基于發育和成熟蝴蝶翅膀的靜止圖像。

“先前的研究在特定的開發階段提供了令人信服的快照；不幸的是，它們沒有揭示随着規模結構增長而發生的連續時間線和順序，”Kolle 說。“我們需要看到更多才能開始更好地理解它。”

在他們的新研究中，他和他的同事希望不斷觀察鱗片如何在活的、變形的蝴蝶中生長和組裝。他們選擇研究Vanessa cardui 的标本，因為蝴蝶的翅膀具有大多數鱗翅目物種的共同特征。

該團隊在單獨的容器中飼養了彩繪女士毛蟲。一旦每隻毛毛蟲都将自己包裹在蛹中，這表明它的蛻變開始了，研究人員小心地切開紙一樣薄的材料，剝掉一小塊角質層，或正在發育的翅膀的覆蓋物，露出下面生長的鱗片。然後他們使用生物粘合劑将透明蓋玻片粘在開口上，形成一個窗口，通過該窗口他們可以觀察蝴蝶及其鱗片繼續形成。

為了可視化這種轉變，Kolle 和 McDougal 與 Kang、Yaqoob 和 So 合作 - 一種稱為散斑相關反射相位顯微鏡的成像專家。該團隊沒有在機翼上照射可能對脆弱細胞産生光毒性的寬光束，而是應用了“散斑場”——許多小光點，每個光點都照射在機翼上的特定點上。每個微小光的反射可以與場中的每個其他點平行測量，以快速創建機翼結構的詳細 3D 地圖。

“一個有斑點的場就像成千上萬的螢火蟲産生一個照明點場，”蘇說。“使用這種方法，我們可以隔離來自不同層的光，并可以重建信息以有效地映射 3D 結構。”

在他們對不斷增長的蝴蝶翅膀的可視化中，該團隊觀察了高度詳細特征的形成，從微米級的尺度到單個尺度上更精細的納米級脊。

他們觀察到，在幾天之内，細胞迅速排列成行，并很快分化為覆蓋鱗片（覆蓋在機翼上的鱗片）和地鱗片（藏在下面的鱗片）的交替模式。當它們達到最終尺寸時，每個鱗片都會長出長而細的脊，類似于微小的波紋屋頂。

“很多這些階段以前都被理解和看到過，但現在我們可以将它們全部拼接在一起并持續觀察正在發生的事情，這為我們提供了有關尺度如何形成的細節的更多信息，”麥克杜格爾說。

有趣的是，該團隊發現鱗片上的脊以一種意想不到的方式形成。科學家們假設這些凹槽是壓縮的結果：随着鱗片的增長，它們被認為像手風琴一樣擠壓。但該團隊的可視化結果表明，這些鱗片并沒有像任何材料在壓縮時那樣收縮，而是随着其表面出現脊而繼續增大。這些測量結果表明，另一種脊形成機制必須在起作用​。該小組希望在蝴蝶翅膀的開發過程中探索這一點以及其他過程，這有助于為新功能材料的設計提供信息。

“這篇論文的重點是蝴蝶翅膀表面的東西，”麥克杜格爾指出。“但在表面之下，我們也可以看到細胞像胡蘿蔔一樣紮根，并向其他根發出連接。随着細胞的組織，表面之下存在着交流。在表面上，鱗片正在形成，以及鱗片本身的特征。我們可以想象所有這些，這真的很美。”

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