Как мыльные пузыри и бабочки связаны между собой?
Эдит Смит вывела более синюю и блестящую бабочку вида Junonia coenia (Павлиний глаз) на своей ферме во Флориде, но потребовались усилия аспирантки Калифорнийского университета в Беркли Рэйчел Тейер, чтобы объяснить физические и генетические изменения, лежащие в основе нового приобретённого иридесцентного блеска.
В процессе работы Тейер обнаружила, насколько относительно легко бабочкам менять цвет крыльев всего за несколько поколений, и нашла первый ген, доказанно влияющий на так называемую «структурную окраску», которая лежит в основе переливчатых пурпурных, синих, зелёных и золотых оттенков многих бабочек.
Её выводы — отправная точка для новых генетических подходов к изучению того, как бабочки создают сложные наноструктуры с оптическими свойствами. В конечном итоге это может помочь инженерам разработать новые способы получения фотонных наноструктур для солнечных панелей или иридесцентных цветов для красок, одежды и косметики.
Структурный цвет отличается от пигментного (как в коже или на холсте), который поглощает или отражает разные цвета света. Он возникает в результате взаимодействия света с твёрдым материалом, подобно тому, как прозрачный мыльный пузырь приобретает красочный отлив. Свет проникает в него и отражается, интерферируя со светом, отражённым от поверхности, что гасит все цвета, кроме одного.
Селекционные эксперименты Эдит Смит на ферме Shady Oak Butterfly Farm во Флориде с бабочкой Junonia coenia (в основном коричневой с яркими пятнами) идеально подошли для исследования Тейер.
«Эдит заметила, что иногда у этих бабочек есть всего несколько синих чешуек на передней части переднего крыла, и начала скрещивать синих особей», — сказала Тейер. — По сути, она проводила эксперимент по искусственному отбору, руководствуясь собственным любопытством».
В статье, опубликованной в журнале eLife, Тейер и Нипам Патель описывают физические изменения в чешуйках крыльев, связанные с экспериментом Смит, и сообщают об одном генетическом регуляторе синей иридесценции.
«Мне особенно понравился чёткий эволюционный контекст: возможность напрямую сравнить "до" и "после" и собрать воедино всю историю», — сказала Тейер.
Структурный цвет создаёт эффектных бабочек
Исследование показало, что иридесцентный цвет распространён у всех 10 видов рода Junonia, даже у невзрачных. Например, у светло-серой J. atlites под микроскопом обнаружились переливающиеся чешуйки всех цветов радуги, которые для невооружённого глаза сливаются в серый.
Один из главных выводов: «Большинство узоров бабочек, вероятно, представляют собой смесь пигментного и структурного цвета, и то, какой из них сильнее влияет на окраску крыла, зависит от количества пигмента».
Тейер вырастила как дикую коричневатую Junonia coenia, так и выведенную Смит более синюю разновидность. С помощью современного гелий-ионного микроскопа она изучила чешуйки крыльев, чтобы определить, вызвано ли изменение цвета изменением структурного цвета или просто потерей коричневого пигмента.
Она не обнаружила разницы в количестве коричневого пигмента, но нашла значительную разницу в толщине хитина — прочного полимера, из которого построена чешуйка и который также создаёт структурный цвет.
- У дикой бабочки толщина слоя хитина составляла около 100 нанометров, что давало золотистый оттенок, смешивающийся с коричневым пигментом.
- У более синей бабочки хитин был толщиной около 190 нанометров — примерно как у мыльного пузыря — что создавало синюю иридесценцию, затмевающую коричневый пигмент.
«Они фактически создают цвет так же, как работает переливчатость мыльного пузыря; физически это одно и то же явление», — сказала Тейер.
Она также обнаружила, что, хотя чешуйки бабочек Junonia имеют сложную микроструктуру, структурный цвет исходит от нижней, или базовой, части чешуйки.
«Цвет сводится к относительно простому изменению в чешуйке: толщине пластинки (lamina)», — сказал Патель. — Мы считаем, что это будет генетически управляемая система, которая позволит нам идентифицировать гены и механизмы развития, контролирующие структурную окраску».
Тейер также исследовала чешуйки мутантных бабочек, созданных исследователями из Корнеллского университета, у которых отсутствовал ключевой ген optix, контролирующий цвет. Снимки показали, что отсутствие гена также увеличивало толщину тонкой плёнки хитина в чешуйках, создавая синий цвет. Optix — регуляторный ген, контролирующий многие другие гены бабочек, которые Тейер планирует изучить далее.
«Что показалось мне крутым в наших выводах, так это то, что один и тот же механизм, повторявшийся на протяжении миллионов лет эволюции бабочек, мог быть воспроизведён очень быстро в эксперименте по искусственному отбору (Смит)», — сказала она. — Это говорит о том, что эволюция цвета через изменение толщины пластинки — повторяющееся и важное явление».