Los hallazgos podrían ayudar a diseñar nuevos materiales como ventanas iridiscentes o textiles impermeables.

Si cepilla las alas de una mariposa, es probable que obtenga una fina pizca de polvo. Este polvo de lepidópteros consiste en diminutas escamas microscópicas, cientos de miles de las cuales hojean las alas de una mariposa como placas en un techo delgado. La estructura y disposición de estas escamas le dan a la mariposa su color y brillo, y ayudan a proteger al insecto de los elementos.

en la actualidad, Con Los ingenieros han capturado la intrincada coreografía de escamas de mariposa que se forman durante la metamorfosis. Por primera vez, el equipo observó constantemente que las escamas de las alas crecen y se juntan a medida que una mariposa en crecimiento se transforma dentro de su capullo.

Con algunas cirugías simples y un enfoque de imágenes inteligente, los investigadores pudieron observar la formación de escamas de alas en muestras de Vanessa Cardoy Conocida como la colorida dama mariposa. Observan que, a medida que se forman las alas, las células de su superficie se alinean en filas ordenadas a medida que crecen. Estas células se diferencian rápidamente en escalas de “cubierta” y “piso” superpuestas, produciendo un intrincado patrón similar a una teja. Cuando alcanzan su tamaño completo, las escamas crecen espolones delgados a lo largo de su longitud: pequeñas características onduladas que controlan el color del insecto y lo ayudan a eliminar la lluvia y la humedad.

Las imágenes SEM se utilizan típicamente para visualizar las escamas que se desarrollan en el ala de una mariposa (se muestran dos escalas individuales, arriba a la izquierda); Un nuevo enfoque que utiliza imágenes de fase cuantitativa para mostrar métricas individuales con más detalle (arriba a la derecha y abajo). El ancho de las escamas es de aproximadamente 50 µm. Crédito: Anthony McDougall y Songsam Kang

El estudio del equipo se publicó hoy (22 de noviembre de 2021) en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, proporciona la vista más detallada hasta ahora de la arquitectura emergente de escamas de mariposa. Las nuevas visualizaciones también pueden servir como modelo para diseñar nuevos materiales funcionales, como ventanas iridiscentes y textiles impermeables.

“Las alas de una mariposa controlan muchos de sus rasgos al moldear con precisión la estructura esquelética de las escamas de sus alas”, dice el autor principal Anthony McDougall, asistente de investigación en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. “Esta estrategia se puede utilizar, por ejemplo, para dar color y propiedades de autolimpieza a automóviles y edificios. Ahora podemos aprender del control estructural de las mariposas en estos materiales complejos y micro nanoestructurados”.

Los coautores de McDougall incluyen al postdoctorado del MIT Songsam Kang, el científico investigador Zahid Yacoub, el profesor Peter Sue de Ingeniería Mecánica y Biológica, y Matthias Kohli, profesor de Ingeniería Mecánica.

campo de luciérnagas

La sección transversal del ala de la mariposa revela un complejo andamio de escamas y nervaduras, cuya estructura y disposición difieren de una especie a otra. Estas características microscópicas actúan como pequeños reflectores, que hacen rebotar la luz para darle a la mariposa su color y brillo. Las espuelas en las escamas de las alas actúan como diminutos canalones y radiadores, transfiriendo humedad y calor para mantener al insecto fresco y seco.

Los investigadores han intentado replicar las propiedades ópticas y estructurales de las alas de las mariposas para diseñar nuevas células solares y sensores de luz, superficies resistentes a la lluvia y al calor, e incluso billetes de banco adornados con cifrados iridiscentes para desalentar la falsificación. Conocer los procesos que utilizan las mariposas para hacer crecer sus caparazones puede ayudar a guiar este tipo de desarrollo de tecnología inspirada en la biología.

Actualmente, lo que se sabe sobre la formación de volumen se basa en imágenes fijas de alas de mariposa maduras y en desarrollo.

“Los estudios anteriores proporcionan instantáneas convincentes en etapas específicas de desarrollo; desafortunadamente, no revelan la línea de tiempo y la secuencia en curso de lo que sucede a medida que crecen las estructuras de Libra”, dice Cooley. “Necesitábamos ver más para empezar a entenderlo mejor”.

En su nuevo estudio, él y sus colegas buscaron monitorear continuamente cómo crecen y se agregan las escamas en una mariposa viva y cambiante. Eligieron estudiar muestras de Vanessa Cardoy, ya que las alas de las mariposas tienen características comunes a la mayoría de las especies de lepidópteros.

El equipo crió larvas de Lady Painter en contenedores individuales. Una vez que cada oruga se cubrió con un capullo, señalando el comienzo de su metamorfosis, los investigadores cortaron cuidadosamente el material delgado y despegaron un pequeño cuadrado de la cutícula, o cubierta del ala en desarrollo, exponiendo las escamas que crecen debajo. Luego usaron bioadhesivo para pegar una cubierta transparente sobre la abertura, creando una ventana a través de la cual podían ver cómo se formaba la mariposa y sus escamas.

Para visualizar esta transformación, Kolle y McDougal colaboraron con Kang, Yaqoob y So, expertos en un tipo de imagen llamada microscopía de correlación de inversión de fase. En lugar de proyectar un amplio haz de luz sobre el ala, que puede ser fototóxico para las células sensibles, el equipo aplicó un “campo de puntos”: muchos puntos diminutos de luz, cada uno de los cuales brilla en un punto específico del ala. El reflejo de cada pequeña luz se puede medir en paralelo a todos los demás puntos del campo para crear rápidamente un mapa 3D detallado de las estructuras de las alas.

“El campo manchado es como miles de luciérnagas que generan un campo de puntos de luz”, dice. “Con este método, podemos aislar la luz proveniente de diferentes capas y podemos reconstruir la información para mapear efectivamente una estructura tridimensional”.

Un escaneo profundo a través de las escamas del pabellón de la pupa completó el 83% de su transformación. La izquierda muestra la cantidad de luz reflejada por las escalas, mientras que la información de fase de la derecha muestra gradaciones más finas de qué tan lejos viaja la luz a las escalas. Crédito: MIT

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En sus visualizaciones del ala en crecimiento de la mariposa, el equipo observó la formación de características muy detalladas, desde escalas del tamaño de un micrómetro hasta bordes diminutos de nanómetros de altura en escalas individuales.

Observaron que en cuestión de días, las células se alinearon rápidamente en filas y, después de un tiempo, se diferenciaron en un patrón alterno de escamas de sombrero (las que están en la parte superior del ala) y escamas del suelo (las que están dobladas por debajo). Cuando alcanzaron su tamaño final, cada calibre creció, los bordes delgados se asemejaban a pequeños techos corrugados.

“Muchas de estas etapas se han entendido y visto antes, pero ahora podemos juntarlas y observar constantemente lo que está sucediendo, lo que nos brinda más información sobre los detalles de cómo se forman las escamas”, dice McDougall.

Curiosamente, el equipo descubrió que los bultos en las escamas se formaron de una manera inesperada. Los científicos plantearon la hipótesis de que estos surcos eran el resultado de la compresión: a medida que las escamas crecían, se pensaba que se comprimían como un acordeón. Pero las visualizaciones del equipo mostraron que en lugar de encogerse como cualquier material cuando se comprime, las escamas continuaron creciendo en tamaño a medida que aparecían bordes en su superficie. Estas medidas indican que es necesario otro mecanismo de formación de crestas. El grupo espera explorar este y otros procesos en el desarrollo del ala de mariposa, lo que podría ayudar a informar el diseño de nuevos materiales funcionales.

“Este artículo se centra en lo que hay en la superficie del ala de una mariposa”, señala McDougall. “Pero debajo de la superficie, también podemos ver células que echan raíces como islas, enviando uniones a otras raíces. Hay conexiones debajo de la superficie mientras las células se organizan. Y en la superficie, se forman las escamas, junto con las características en el escalas. Podemos imaginar todo eso, que es algo realmente agradable de ver “.

Referencia: 22 de noviembre de 2021, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073 / pnas.2112009118

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation.