Что происходит в первые моменты формирования чешуек бабочки

Крыло бабочки покрыто сотнями тысяч крошечных чешуек, как миниатюрная черепица на тончайшей крыше. Одна чешуйка размером с пылинку, но удивительно сложна: её гофрированная поверхность состоит из гребней, которые помогают отводить воду, управлять теплом и отражать свет, создавая характерное мерцание.

Исследователи из MIT зафиксировали начальные моменты метаморфоза бабочки, когда отдельная чешуйка начинает формировать этот ребристый узор. Они использовали передовые методы визуализации, чтобы наблюдать микроскопические особенности развивающегося крыла, пока бабочка находилась в куколке.

Команда непрерывно фиксировала изображения отдельных чешуек по мере их роста из мембраны крыла. Эти изображения впервые показывают, как изначально гладкая поверхность чешуйки начинает морщиться, образуя микроскопические параллельные волны. Эти структуры, похожие на рябь, в конечном итоге превращаются в тонко структурированные гребни, определяющие функции взрослой чешуйки.

Исследователи обнаружили, что переход чешуйки к гофрированной поверхности, вероятно, является результатом "изгибной потери устойчивости" (buckling) — общего механизма, описывающего, как гладкая поверхность морщится при росте в ограниченном пространстве.

"Потеря устойчивости — это нестабильность, то, чего мы, как инженеры, обычно не хотим. Но в этом контексте организм использует её, чтобы инициировать рост этих сложных функциональных структур", — говорит Матиас Колле, доцент кафедры машиностроения MIT.

Команда работает над визуализацией большего количества стадий роста крыла бабочки, надеясь найти подсказки для проектирования передовых функциональных материалов в будущем.

"Учитывая многофункциональность чешуек бабочек, мы надеемся понять и воспроизвести эти процессы с целью устойчивого проектирования и изготовления новых функциональных материалов. Эти материалы будут обладать заданными оптическими, тепловыми, химическими и механическими свойствами для текстиля, поверхностей зданий, транспортных средств — по сути, для любой поверхности, характеристики которой зависят от её микро- и наноструктуры", — добавляет Колле.

Результаты опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science. Соавторы исследования: первый автор и бывший постдок MIT Ян Тотц, со-первый автор и постдок Энтони МакДугал, аспирантка Леони Вагнер, бывший постдок Сангсам Канг, профессор машиностроения и биомедицинской инженерии Питер Со, профессор математики Йорн Дункель и профессор физики и химии материалов Бодо Уилтс из Зальцбургского университета.

Преобразование в реальном времени

В 2021 году МакДугал, Колле и их коллеги разработали метод непрерывной фиксации микроскопических деталей роста крыла бабочки во время метаморфоза. Их метод включал аккуратное разрезание тонкой, как бумага, куколки и удаление небольшого квадратика кутикулы, чтобы обнажить растущую мембрану крыла. Они поместили небольшое стекло над открытой областью, а затем использовали разработанную членом команды Питером Со методику микроскопии для получения непрерывных изображений растущих чешуек.

Метод применили к наблюдению за Vanessa cardui (репейницей), которую выбрали из-за архитектуры чешуек, общей для большинства видов чешуекрылых. Они наблюдали, как чешуйки репейницы растут вдоль мембраны крыла точными, перекрывающимися рядами, как черепица. Эти изображения предоставили учёным наиболее непрерывную на сегодняшний день визуализацию роста чешуек крыла живой бабочки в микроскопическом масштабе.

В новом исследовании команда использовала тот же подход, чтобы сосредоточиться на конкретном временном окне развития чешуек и зафиксировать начальное формирование тонко структурированных гребней на отдельной чешуйке живой бабочки. Известно, что эти параллельные гребни, идущие вдоль длины чешуйки, обеспечивают многие функции чешуек крыла.

Поскольку о том, как формируются эти гребни, известно мало, команда MIT поставила цель зафиксировать их непрерывное образование у живой развивающейся бабочки и расшифровать механизмы.

"Мы наблюдали за развитием крыла в течение 10 дней и получили тысячи измерений того, как изменялась поверхность чешуек у одной бабочки. Мы увидели, что вначале поверхность довольно плоская. По мере роста бабочки поверхность начинает немного выпирать, а затем примерно на 41% развития мы видим очень регулярный узор полностью сформировавшихся протогребней. Весь этот процесс занимает около пяти часов и закладывает структурную основу для последующего формирования узорчатых гребней", — говорит МакДугал.

Закреплённые точки

Что заставляет начальные гребни выпирать с такой точностью? Исследователи предположили, что здесь может играть роль изгибная потеря устойчивости (buckling). Это механический процесс, при котором материал прогибается внутрь под действием сжимающих сил. Например, пустая банка из-под газировки сминается, если сжать её сверху. Материал также может терять устойчивость по мере роста, если он закреплён или "закреплён" в определённых местах.

Учёные отмечали, что по мере роста клеточной мембраны чешуйки бабочки она фактически закреплена в определённых местах пучками актина — длинными филаментами, которые проходят под растущей мембраной и служат каркасом для формирующейся чешуйки. Была выдвинута гипотеза, что пучки актина ограничивают растущую мембрану, подобно верёвкам вокруг надувающегося воздушного шара. Предполагалось, что по мере роста чешуйки крыла бабочки она будет выпирать между лежащими под ней актиновыми филаментами, теряя устойчивость таким образом, что формируются первоначальные параллельные гребни.

Чтобы проверить эту идею, команда MIT обратилась к теоретической модели, описывающей общую механику потери устойчивости. Они включили в модель данные изображений, такие как измерения высоты мембраны чешуйки на различных ранних стадиях развития и различное расстояние между пучками актина в растущей мембране. Затем они запустили модель вперёд во времени, чтобы увидеть, приведут ли её основные принципы механической потери устойчивости к тем же рисункам гребней, которые команда наблюдала у реальной бабочки.

"С помощью этого моделирования мы показали, что можем перейти от плоской поверхности к более волнистой. С точки зрения механики это указывает на то, что потеря устойчивости мембраны, скорее всего, и является тем, что инициирует формирование этих удивительно упорядоченных гребней", — говорит Колле.

"Мы хотим учиться у природы не только тому, как функционируют эти материалы, но и тому, как они формируются. Если вы хотите, например, создать морщинистую поверхность (что полезно для различных применений), это даёт вам две очень простые настройки для тонкой настройки морщинистости: вы можете изменить расстояние между точками закрепления материала или количество материала, которое вы выращиваете между закреплёнными участками. И мы увидели, что бабочка использует обе эти стратегии", — говорит МакДугал.