MIT badacze opracowali pionierską metodę obserwacji i obrazowania rozwoju łusek na skrzydłach motyli podczas metamorfozy, ujawniając, w jaki sposób prążkowane struktury łusek tworzą się w procesie zwanym wyboczeniem.
Odkrycie to zapewnia wgląd w właściwości mechaniczne tworzenia się kamienia i sugeruje potencjalne zastosowania w projektowaniu nowych materiałów do zarządzania światłem i ciepłem.
Łuski skrzydeł motyla
Skrzydło motyla pokryte jest setkami tysięcy drobnych łusek przypominających miniaturowe gonty na cienkim jak papier dachu. Pojedyncza łuska jest tak mała jak pyłek kurzu, a jednocześnie zaskakująco złożona, z pofałdowaną powierzchnią grzbietów, które pomagają odprowadzać wodę, zarządzać ciepłem i odbijać światło, nadając motylowi charakterystyczny połysk.
Badacze z MIT uchwycili teraz początkowe momenty metamorfozy motyla, gdy na indywidualnej skali zaczyna pojawiać się ten prążkowany wzór. Naukowcy wykorzystali zaawansowane techniki obrazowania, aby obserwować mikroskopijne cechy rozwijającego się skrzydła, podczas gdy motyl przekształcił się w poczwarkę.
Odkrycie formacji grzbietowej
Zespół w sposób ciągły obrazował poszczególne łuski wyrastające z błony skrzydła. Obrazy te po raz pierwszy pokazują, jak początkowo gładka powierzchnia łuski zaczyna się marszczyć, tworząc mikroskopijne, równoległe fale. Struktury przypominające zmarszczki ostatecznie przekształcają się w drobno wzorzyste grzbiety, które definiują funkcje łuski dorosłej.
Naukowcy odkryli, że przejście łuski w powierzchnię pofałdowaną jest prawdopodobnie wynikiem „wyboczenia” – ogólnego mechanizmu opisującego marszczenie się gładkiej powierzchni w miarę jej wzrostu w ograniczonej przestrzeni.
„Wyboczenie to niestabilność, której jako inżynierowie zwykle nie chcemy” – mówi Mathias Kolle, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej w MIT. „Ale w tym kontekście organizm wykorzystuje wyboczenie, aby zainicjować wzrost tych skomplikowanych, funkcjonalnych struktur”.
Inżynierskie spostrzeżenia z natury
Zespół pracuje nad wizualizacją kolejnych etapów wzrostu skrzydeł motyla, mając nadzieję na odkrycie wskazówek, w jaki sposób mogliby w przyszłości projektować zaawansowane, funkcjonalne materiały.
„Biorąc pod uwagę wielofunkcyjność łusek motyli, mamy nadzieję zrozumieć i naśladować te procesy w celu zrównoważonego projektowania i wytwarzania nowych materiałów funkcjonalnych. Materiały te wykazywałyby dostosowane właściwości optyczne, termiczne, chemiczne i mechaniczne w przypadku tekstyliów, powierzchni budowlanych, pojazdów – tak naprawdę ogólnie w przypadku każdej powierzchni, która musi wykazywać właściwości zależne od jej mikro- i nanoskala strukturę” – dodaje Kolle.
Zespół opublikował wyniki badania opublikowanego niedawno w czasopiśmie Raporty komórkowe Nauka fizyczna. Współautorami badania są pierwszy autor i były postdoc z MIT Jan Totz, wspólny pierwszy autor i postdoc Anthony McDougal, doktorant Leonie Wagner, były postdoktor Sungsam Kang, profesor inżynierii mechanicznej i inżynierii biomedycznej Peter So, profesor matematyki Jörn Dunkel oraz profesor fizyki i chemii materiałów Bodo Wilts z Uniwersytetu w Salzburgu.
Transformacja na żywo
W 2021 roku McDougal, Kolle i ich współpracownicy opracowali metodę ciągłego rejestrowania mikroskopijnych szczegółów wzrostu skrzydeł motyla podczas jego metamorfozy. Ich metoda polegała na ostrożnym przecięciu cienkiej jak papier poczwarki owada i oderwaniu małego kwadratu naskórka, aby odsłonić rosnącą błonę skrzydła. Umieścili małe szklane szkiełko na odsłoniętym obszarze, a następnie wykorzystali technikę mikroskopową opracowaną przez członka zespołu Petera So, aby uchwycić ciągłe obrazy łusek wyrastających z błony skrzydła.
Zastosowali tę metodę do obserwacji Vanessa Carduimotyl powszechnie znany jako Malowana Dama, wybrany przez zespół ze względu na architekturę w skali typową dla większości łuskoskrzydłych gatunek. Zaobserwowali, że łuski Malowanej Damy rosły wzdłuż błony skrzydeł w precyzyjnych, zachodzących na siebie rzędach, niczym gonty na dachu. Obrazy te zapewniły naukowcom najbardziej ciągłą jak dotąd wizualizację wzrostu żywych łusek skrzydeł motyla w mikroskali.
Mechanika rozwoju grzbietów
W nowym badaniu zespół zastosował to samo podejście, skupiając się na określonym oknie czasowym podczas rozwoju łuski, aby uchwycić początkowe formowanie się drobno ustrukturyzowanych grzbietów biegnących wzdłuż jednej łuski u żywego motyla. Naukowcy wiedzą, że te grzbiety, biegnące równolegle do siebie na całej długości pojedynczej łuski, niczym paski na kawałku sztruksu, umożliwiają wiele funkcji łusek skrzydłowych.
Ponieważ niewiele wiadomo na temat powstawania tych prążków, zespół MIT postawił sobie za cel zarejestrowanie ciągłego tworzenia się prążków u żywego, rozwijającego się motyla i rozszyfrowanie mechanizmów powstawania prążków w organizmie.
„Obserwowaliśmy rozwój skrzydła przez 10 dni i wykonaliśmy tysiące pomiarów zmian powierzchni łusek pojedynczego motyla” – mówi McDougal. „Wcześnie widzieliśmy, że powierzchnia jest dość płaska. W miarę wzrostu motyla powierzchnia zaczyna nieco wyskakiwać, a następnie, w około 41 procentach rozwoju, widzimy bardzo regularny wzór całkowicie wyskakujących protoridges. Cały ten proces trwa około pięciu godzin i kładzie podwaliny strukturalne pod późniejszą ekspresję wzorzystych grzbietów.
Badanie przyczyn wyboczenia
Co może być przyczyną pojawiania się początkowych wypukłości w precyzyjnym ułożeniu? Naukowcy podejrzewali, że w grę może wchodzić wyboczenie. Wyboczenie to proces mechaniczny, w wyniku którego materiał wygina się w sobie pod wpływem sił ściskających. Na przykład pusta puszka po napojach wygina się po ściśnięciu od góry do dołu. Materiał może również wyginać się w miarę wzrostu, jeśli jest unieruchomiony lub unieruchomiony.
Naukowcy zauważyli, że w miarę wzrostu błona komórkowa łuski motyla jest skutecznie unieruchamiana w niektórych miejscach przez wiązki aktyny – długie włókna, które biegną pod rosnącą błoną i działają jak rusztowanie podtrzymujące łuskę w miarę jej nabierania kształtu. Naukowcy postawili hipotezę, że wiązki aktyny ograniczają rosnącą membranę, podobnie jak liny owinięte wokół nadmuchującego balonu na ogrzane powietrze. Zaproponowali, że w miarę wzrostu łuski skrzydeł motyla wybrzuszy się ona pomiędzy leżącymi pod spodem włóknami aktynowymi, wyginając się w sposób tworzący początkowe, równoległe grzbiety łuski.
Teoretyczne modelowanie powstawania kamienia
Aby przetestować ten pomysł, zespół MIT przyjrzał się modelowi teoretycznemu opisującemu ogólną mechanikę wyboczenia. Do modelu włączono dane obrazowe, takie jak pomiary wysokości membrany łusek na różnych wczesnych etapach rozwoju oraz różne odstępy wiązek aktyn w rosnącej membranie. Następnie przesunęli model w czasie, aby sprawdzić, czy leżące u jego podstaw zasady wyboczenia mechanicznego spowodują powstanie takich samych wzorów grzbietów, jakie zespół zaobserwował u rzeczywistego motyla.
„Dzięki temu modelowaniu pokazaliśmy, że możemy przejść od płaskiej powierzchni do bardziej pofałdowanej” – mówi Kolle. „Z punktu widzenia mechaniki oznacza to, że najprawdopodobniej wyboczenie membrany inicjuje powstawanie tych niesamowicie uporządkowanych grzbietów”.
Wnioski i implikacje dla nauki o materiałach
„Chcemy uczyć się od natury nie tylko tego, jak funkcjonują te materiały, ale także jak powstają” – mówi McDougal. „Jeśli chcesz na przykład stworzyć pomarszczoną powierzchnię, co jest przydatne w różnych zastosowaniach, masz do dyspozycji dwa naprawdę łatwe pokrętła do regulacji, umożliwiające dostosowanie sposobu pomarszczenia tych powierzchni. Możesz zmienić odstępy między przypiętymi sekcjami materiału lub zmienić ilość materiału wyhodowanego pomiędzy przypiętymi sekcjami. I zaobserwowaliśmy, że motyl stosuje obie te strategie”.
Odniesienie: „Wyboczenie błony komórkowej reguluje powstawanie grzbietów na wczesnym etapie łusek skrzydeł motyla” Jan F. Totz, Anthony D. McDougal, Leonie Wagner, Sungsam Kang, Peter TC So, Jörn Dunkel, Bodo D. Wilts i Mathias Kolle, 26 czerwiec 2024, Cell Reports Nauki fizyczne.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102063
Badania te były częściowo wspierane przez Międzynarodową Organizację Programu Human Frontier Science, National Science Foundation, Fundację Humboldta i Fundację Alfreda P. Sloana.
