Заглядывая в куколку: видео показали, как формируются чешуйки крыльев бабочки

Микроскопические чешуйки, сотни тысяч которых покрывают крылья бабочки, как черепица, придают насекомому цвет, блеск и защищают от непогоды. Инженеры MIT впервые непрерывно пронаблюдали, как эти чешуйки растут и самоорганизуются во время метаморфозы внутри куколки.

Исследователи провели небольшую хирургическую операцию и, используя метод speckle-correlation reflection phase microscopy, наблюдали за формированием чешуек у бабочки Vanessa cardui (Репейница). Они увидели, что клетки поверхности крыла выстраиваются в упорядоченные ряды и быстро дифференцируются в чередующиеся покровные и подстилающие чешуйки, создавая перекрывающийся узор. Достигнув полного размера, чешуйки образуют вдоль своей длины тонкие гребни — наноразмерные гофрированные структуры, которые контролируют цвет и помогают отталкивать влагу.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, — наиболее детальный взгляд на архитектонику растущих чешуек. Эти визуализации могут послужить blueprint для создания новых функциональных материалов, таких как переливающиеся окна и водоотталкивающие ткани.

Метод «светлячков»

Чтобы заглянуть внутрь куколки, ученые аккуратно удалили небольшой квадрат кутикулы развивающегося крыла и закрепили прозрачное покровное стекло, создав «окно». Для визуализации использовали не широкий луч света (опасный для клеток), а «пятнистое поле» (speckle field) — множество крошечных точек света, каждая из которых освещает конкретную точку на крыле. Отражение от каждой точки измеряется, что позволяет быстро построить детальную 3D-карту структур.

Непрерывный процесс

Визуализации показали формирование деталей от микрометровых чешуек до нанометровых гребней на них. Ученые подтвердили известные стадии, но теперь смогли объединить их в непрерывную временную шкалу.

Ключевое открытие касается механизма образования гребней. Ранее считалось, что они формируются из-за сжатия (compression) растущей чешуйки, как гармошка. Однако наблюдения показали, что чешуйки продолжали увеличиваться в размере по мере появления гребней. Это указывает на иной, еще не изученный механизм их формирования.

Исследование охватывает не только поверхность, но и коммуникацию клеток под ней, которые «пускают корни» и организуются. Возможность визуализировать весь этот процесс открывает новые пути для биоинспирированного дизайна материалов.