在蝴蝶鳞片形成的最初时刻会发生什么？

新的发现可以帮助工程师设计用于光和热管理的材料。

蝴蝶的翅膀上覆盖着成千上万的微小鳞片，就像纸薄屋顶上的微型瓦一样。单个鳞片只有一粒尘埃那么小，但却出奇地复杂，其波纹状的脊状表面有助于吸走水分，管理热量，并反射光，从而赋予蝴蝶标志性的微光。

麻省理工学院的研究人员现在已经捕捉到了蝴蝶蜕变的最初时刻，当个体尺度开始形成这种脊状图案时。研究人员利用先进的成像技术观察了蝴蝶在蛹中变形时翅膀发育的微观特征。

当单个鳞片从翅膀的膜上生长出来时，研究小组不断地对它们进行成像。这些图像首次揭示了鳞片最初光滑的表面如何开始起皱，形成微观的平行波动。波纹状的结构最终会长成精细图案的脊，这定义了成年尺度的功能。

研究人员发现，天平向波纹表面的转变很可能是“屈曲”的结果 —— 这是一种描述光滑表面在有限空间内生长时如何起皱的一般机制。

麻省理工学院机械工程副教授马蒂亚斯·科勒（Mathias Kolle）说：“屈曲是一种不稳定现象，作为工程师，我们通常不希望发生这种情况。但在这种情况下，生物体使用屈曲来启动这些复杂的功能结构的生长。”

该团队正在努力将蝴蝶翅膀生长的更多阶段可视化，希望为他们未来如何设计先进的功能材料提供线索。

“鉴于蝴蝶鳞片的多功能，我们希望理解和模仿这些过程，以可持续地设计和制造新的功能材料。这些材料将表现出定制的光学、热、化学和机械性能，适用于纺织品、建筑表面、车辆 —— 实际上，适用于任何需要表现出依赖于其微纳米级结构特征的表面，”科勒补充道。

该团队在今天的《细胞报告-物理科学》杂志上发表了他们的研究结果。该研究的共同作者包括第一作者和前麻省理工学院博士后简·托茨（Jan Totz），联合第一作者和博士后安东尼·麦克杜格尔（Anthony McDougal），研究生莱昂尼·瓦格纳（Leonie Wagner），前博士后桑桑姆·康（Sungsam Kang），机械工程和生物医学工程教授彼得·苏（Peter So），数学教授约恩·邓克尔（Jörn Dunkel）以及萨尔茨堡大学材料物理和化学教授博多·威尔茨（Bodo Wilts）。

现场改造

2021年，麦克杜格尔、科勒和他们的同事开发了一种方法，可以在蝴蝶变形过程中连续捕捉翅膀生长的微观细节。他们的方法是小心翼翼地切开昆虫像纸一样薄的蛹，剥去一小块角质层，露出翅膀正在生长的膜。他们在暴露的区域放置了一小块玻璃载玻片，然后使用团队成员彼得·苏开发的显微镜技术来捕捉鳞片从机翼膜中生长时的连续图像。

他们用这种方法观察了小红蛱蝶（Vanessa cardui），这是一种俗称“彩绘女士”的蝴蝶，研究小组选择这种蝴蝶是因为它的鳞片结构，这在大多数鳞翅目物种中都很常见。他们观察到，小红蛱蝶的鳞片沿着翅膀的膜生长，排列精确，重叠，就像屋顶上的瓦。这些图像为科学家们提供了迄今为止在微观尺度上最连续的活体蝴蝶翅膀生长可视化。

在他们的新研究中，研究小组使用了同样的方法来关注鳞片发育过程中的特定时间窗口，以捕捉在活蝴蝶中沿着单个鳞片运行的精细结构脊的初始形成。科学家们知道，这些脊状物沿着单个鳞片的长度彼此平行，就像灯芯绒上的条纹一样，使翅膀鳞片的许多功能得以实现。

由于人们对这些脊的形成知之甚少，麻省理工学院的研究小组旨在记录一只活的、发育中的蝴蝶连续形成脊的过程，并破译这种生物的脊形成机制。

麦克杜格尔说：“我们观察了翅膀的发育超过10天，并对一只蝴蝶的鳞片表面如何变化进行了数千次测量。我们可以看到，早期的表面非常平坦。随着蝴蝶的成长，它的表面开始突起，然后在大约发育到41%的时候，我们看到这种非常有规律的完全突起的原叶。整个过程大约需要5个小时，为随后的脊状图案的表达奠定了结构基础。”

固定下来

是什么原因导致最初的脊以精确的直线出现？研究人员怀疑屈曲可能在起作用。屈曲是一种机械过程，通过这种过程，材料在受到压缩力的作用时向自身弯曲。例如，一个空的汽水罐从上往下挤压时会弯曲。材料在生长过程中，如果受到约束或固定，也会发生弯曲。

科学家们注意到，随着蝴蝶鳞片细胞膜的生长，它被肌动蛋白束有效地固定在某些地方，肌动蛋白束是在生长的膜下运行的长丝状物，在鳞片成形时起到支架的作用。科学家们假设肌动蛋白束约束着生长的膜，类似于环绕膨胀的热气球的绳索。他们提出，随着蝴蝶翅膀鳞片的生长，它会在下面的肌动蛋白丝之间凸起，以一种弯曲的方式形成鳞片最初的平行脊。

为了验证这一想法，麻省理工学院的研究小组寻找了一个描述屈曲一般力学的理论模型。他们将图像数据整合到模型中，例如在不同早期发育阶段的尺度膜的高度测量，以及肌动蛋白束在生长膜上的不同间距。然后，他们及时运行模型，看看其机械屈曲的基本原理是否会产生与团队在实际蝴蝶中观察到的相同的脊纹。

科勒说：“通过这个模型，我们展示了我们可以从一个平坦的表面到一个更起伏的表面。从力学角度来看，这表明膜的屈曲很可能是导致这些令人惊讶的有序脊形成的原因。”

麦克道格尔说：“我们想从大自然中学习，不仅是这些材料的功能，还有它们是如何形成的。例如，如果你想制作一个褶皱表面，这对各种应用都很有用，这给了你两个非常简单的旋钮来调整，以调整这些表面的褶皱。你可以改变固定材料的间距，或者你可以改变固定部分之间生长的材料的数量。我们看到蝴蝶正在使用这两种策略。”

这项研究得到了美国国家科学基金会、洪堡基金会和阿尔弗雷德·P·斯隆基金会的部分支持。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！