圖片來源：Pixabay

如果觸摸蝴蝶的翅膀，你的手上很有可能會沾上一些細粉。事實上，這些鱗粉是由極小的鱗片構成的，蝴蝶翅膀上覆蓋着成千上萬的鱗片，就像極薄屋頂上排列的瓦片一樣。鱗片的結構及其排列方式使蝴蝶翅膀顯示出顔色和光澤，因此，如果蝴蝶與周圍環境的顔色相似，蝴蝶就能受到保護。

最近，美國麻省理工學院的科學家首次連續拍攝到在蛹蛻變為蝴蝶的過程中，鱗片是如何形成的。

研究人員選擇觀察一種叫做小紅蛱蝶（Vanessa cardui）的蝴蝶，通過巧妙的成像方法，他們拍攝到了這種蝴蝶鱗片的形成過程。他們發現，在翅膀形成的過程中，翅膀表面的細胞會一行行整齊地排列。這些細胞迅速分化為交替的“覆蓋”和“被覆蓋”層，從而産生重疊的瓦片狀圖案。随後，鱗片會沿着縱向長出細長的脊。這種微小的波紋狀紋理，能調控蝴蝶的顔色，并讓雨水和露珠順着鱗片流下。

相關的研究結果發表在《美國科學院院刊》(PNAS)上。研究人員提供了目前最詳盡的關于蝴蝶鱗片發育結構的圖像，從而為設計諸如彩色玻璃和防水織物等新功能材料提供了思路。

安東尼·麥克杜格爾（Anthony McDougal，這項研究的第一作者）是美國麻省理工學院機械工程系的助理研究員。他表示，蝴蝶能夠通過形成具有特定結構的鱗片，來調控其翅膀的許多特性。現在，通過學習蝴蝶控制鱗片結構的策略，我們或許也能開發出具有顔色和自清潔功能的汽車和建築物。

小紅蛱蝶的鱗片結構。圖片來源：Anthony McDougal et al.,PNAS,2021

螢火蟲亮場

蝴蝶翅膀的橫截面表明，翅膀是由鱗片和翅脈組成的複雜骨架，結構和排列方式因物種而異。這些微小的結構就像小型的反射器，通過反射周圍的光線，賦予翅膀顔色和光澤。鱗片上的脊就像微型水槽和散熱器，能彙集水分、疏散熱量，保持蝴蝶涼爽和幹燥。

科學家試圖複制蝴蝶翅膀的光學和結構特性，從而設計新型的太陽能電池和光學傳感器、耐雨及耐熱表面，甚至是紙币上的彩虹加密防僞條紋。了解蝴蝶生長鱗片的過程，能進一步推動這類仿生技術的發展。

科勒表示，此前我們對鱗片形成過程的了解主要來自于蝴蝶在特定生長階段時的靜态照片，但靜态照片無法揭示随着鱗片結構生長所發生的連續過程。因此，為了更好地理解這個過程，我們需要觀察更多。

在這項新研究中，科勒和同事連續觀察了鱗片是如何在正在變态的活蝴蝶身上生長和聚集的。他們選擇的觀察樣本小紅蛱蝶具有大多數鱗翅目物種共有的特征。

科學家在單獨的容器中飼養小紅蛱蝶毛毛蟲。當毛毛蟲變為蛹準備開始變态時，科學家小心地切下一小塊蛹，剝掉角質層，露出生長中的鱗片。然後，用生物黏合劑在開口上黏一塊透明玻璃片覆蓋。通過這個透明的窗口觀察蝴蝶和鱗片的連續形成過程。

為了可視化這一過程，科勒和麥克杜格爾邀請了斑點相關反射相位顯微鏡成像技術的專家Kang、雅各布和索。為了避免對蝴蝶脆弱的細胞産生光學毒性，他們舍棄了将一束寬光束照射在翅膀上的方法，而是采用了“散斑場”（speckle field）——利用許多小光點，将每個光點都照射在翅膀的一個特定位置上。每一個小光點的反射都可以與電場中的其他點平行，從而測量并快速繪制出翅膀結構的三維圖。

在蛹蛻變為蝴蝶的過程達到83%時，對蝴蝶鱗片的深度掃描分析。圖片來源：Anthony McDougal et al.,PNAS,2021

索解釋道，散斑場就像成千上萬隻螢火蟲在一塊地方産生了照明點，可以用它分離來自不同鱗片層的光，并重建結構信息，從而有效地繪制三維圖像。

建立鱗片連接

在可視化蝴蝶翅膀生長的過程中，科學家觀察到了微米級大小的鱗片，以及單個鱗片上更小的納米尺度的條紋的形成。

在幾天内，細胞迅速排列成行，并很快分化成蓋鱗（覆蓋層）和基鱗（被覆蓋層）的交替模式。當它們長到最後的尺寸時，每個鱗片都會長出長而細的脊，就像極小的波浪形屋頂一樣。

麥克杜格爾說，盡管此前已經觀察到了這個過程的許多階段，但這項研究拍攝到了連續的圖像，這能為科學家提供更多關于鱗片形成的細節信息。

有趣的是，此前科學家認為，蝴蝶翅膀鱗片上的脊是經壓縮産生的：如果鱗片繼續生長就會像壓縮手風琴一樣被壓縮，從而形成脊。不過，在這項研究中，研究人員發現鱗片仍在繼續生長，與此同時，脊已經出現在鱗片表面。這表明脊可能并不是壓縮形成的，而是由其他機理導緻的。通過研究這一機理，以及蝴蝶翅膀生長時的其他過程，将有助于設計新的功能材料。

麥克杜格爾認為，研究的重點是蝴蝶翅膀的表面，但在表面之下，也可以看到鱗片細胞是如何紮根生長，并互相連接的。在鱗片細胞形成組織的過程中，在表面之上，鱗片正在生長，而在表面之下，細胞間也存在着交流。如今我們把這一美妙的過程用影像的方式可視化了出來。

撰文：珍妮弗·朱（Jennifer Chu）

翻譯：謝汝雨

審校：王怡博

引進來源：物理學家組織網

本文來自：中國數字科技館

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