蝴蝶鳞片形成的最初时刻会发生什么

蝴蝶的翅膀上覆盖着成千上万的小鳞片，就像薄如纸的屋顶上的微型木瓦。一个鳞片小到一粒灰尘，但却出奇地复杂，有一个波纹状的脊状表面，有助于吸走水分、管理热量和反射光线，给蝴蝶带来标志性的微光

麻省理工学院的研究人员现在已经捕捉到了蝴蝶变形的最初时刻，因为个体鳞片开始形成这种脊状图案。研究人员使用先进的成像技术观察了蝴蝶在蛹中变形时翅膀发育过程中的微观特征

当鳞片从翅膀的膜中生长出来时，研究小组不断对其进行成像。这些图像首次揭示了鳞片最初光滑的表面是如何开始褶皱形成微观的平行起伏的。波纹状结构最终生长成精细图案的脊，这些脊定义了成年鳞片的功能

研究人员发现，鳞片向波纹表面的过渡很可能是“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褶皱的一般机制

麻省理工学院机械工程副教授Mathias Kolle表示：“屈曲是一种不稳定性，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，生物体利用屈曲来启动这些复杂的功能结构的生长。”

该团队正在努力可视化蝴蝶翅膀生长的更多阶段，希望揭示他们未来如何设计先进功能材料的线索

“鉴于蝴蝶鳞片的多功能性，我们希望了解和模拟这些过程，以可持续地设计和制造新的功能材料。这些材料将为纺织品、建筑表面和车辆展现量身定制的光学、热学、化学和机械性能，实际上，对于任何需要展现取决于其微观和纳米级结构的特征的表面，”Kolle补充道

该团队在今天发表在《细胞报告物理科学》杂志上的一项研究中发表了他们的研究结果。该研究的合著者包括第一作者、前麻省理工学院博士后Jan Totz、联合第一作者和博士后Anthony McDougal、研究生Leonie Wagner、前博士后Sungsam Kang、机械工程和生物医学工程教授Peter So、数学教授Jörn Dunkel和萨尔茨堡大学材料物理和化学教授Bodo Wilts。他们的方法包括小心地切开昆虫薄如纸的蛹，剥去一小块角质层，露出翅膀的生长膜。他们在暴露的区域放置了一个小玻璃载玻片，然后使用团队成员Peter So开发的显微镜技术，捕捉鳞片从翅膀膜中生长时的连续图像

他们应用这种方法观察了Vanessa cardui，一种通常被称为彩绘女士的蝴蝶，团队选择它是因为它的规模结构，这在大多数鳞翅目物种中都很常见。他们观察到，彩绘女士鳞片沿着翼膜精确重叠地生长，就像屋顶上的木瓦一样。这些图像为科学家们提供了迄今为止在微尺度上最连续的活蝴蝶翅膀规模生长的可视化

在他们的新研究中，该团队使用相同的方法专注于鳞片发育过程中的特定时间窗口，以捕捉活蝴蝶沿着单个鳞片延伸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相互平行，就像灯芯绒上的条纹一样，能够实现翅膀鳞片的许多功能

由于人们对这些脊是如何形成的知之甚少，麻省理工学院的团队旨在记录活的、发育中的蝴蝶脊的连续形成，并破译该生物的脊形成机制

“我们观察了翅膀在10天内的发育，并对一只蝴蝶的鳞片表面的变化进行了数千次测量，”McDougal说。“我们可以看到，早期，表面非常平坦。随着蝴蝶的生长，表面开始弹出一点，然后在大约41%的发育过程中，我们看到了完全弹出的原脊的非常规则的模式。整个过程发生在大约五个小时内，为随后的图案脊的表达奠定了结构基础。”？研究人员怀疑屈曲可能在起作用。屈曲是一种机械过程，材料在受到压缩力时会向自身弯曲。例如，一杯空的苏打水从上到下挤压时会弯曲。如果材质受到约束或固定在适当位置，则它也可以随着生长而弯曲

科学家们注意到，随着蝴蝶鳞片的细胞膜生长，它被肌动蛋白束有效地固定在某些地方，肌动蛋白束是生长膜下的长丝，在鳞片形成时充当支撑鳞片的支架。科学家们假设肌动蛋白束约束着生长中的膜，类似于膨胀的热气球周围的绳索。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出，以形成鳞片最初的平行脊的方式弯曲

为了验证这一观点，麻省理工学院的团队研究了一个描述屈曲一般力学的理论模型。他们将图像数据纳入模型，例如在发育的各个早期阶段测量鳞片膜的高度，以及生长膜上肌动蛋白束的各种间距。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身上观察到的相同的山脊图案

Kolle说：“通过这个建模，我们表明我们可以从平坦的表面变成起伏更大的表面。”。“从力学角度来看，这表明膜的屈曲很可能是这些令人惊讶的有序脊形成的原因。”

“我们想从大自然中学习，不仅要学习这些材料的功能，还要学习它们是如何形成的，”McDougal说。“例如，如果你想制作一个褶皱的表面，这对各种应用都很有用，这给了你两个非常容易调整的旋钮，可以调整这些表面的褶皱方式。你可以改变材料的钉扎间距，也可以改变钉扎部分之间生长的材料量。我们看到蝴蝶正在使用这两种策略。”