Kelebek Kanadı Pullarının Büyümesi

Daha büyük, üst üste binen kırmızı ve yeşil ölçekler, yapısal ayrıntılarını geliştirmenin ortasında oluşturmaya başlar (sağda). Her görüntü 75 μm genişliğindedir. Kredi: Anthony McDougal ve Sungsam Kang

Bulgular, yanardöner pencereler veya su geçirmez tekstiller gibi yeni malzemelerin tasarımına bilgi verebilir.

Bir kelebeğin kanatlarına dokunursanız, muhtemelen ince bir toz serpiştirerek uzaklaşırsınız. Bu lepidopteran tozu, yüzbinlerce tanesi bir kelebeğin kanatlarını gofret gibi ince bir çatıdaki kiremit gibi kağıtla kaplayan minik mikroskobik pullardan oluşur. Bu pulların yapısı ve düzeni kelebeğe rengini ve ışıltısını verir ve böceğin dış etkenlerden korunmasına yardımcı olur.

Şimdi, İLE BİRLİKTE mühendisler, metamorfoz sırasında oluşan kelebek pullarının karmaşık koreografisini yakaladılar. Ekip, ilk kez, gelişen bir kelebeğin krizalitinin içinde dönüştüğü kanat pullarının sürekli olarak büyüdüğünü ve birleştiğini gözlemledi.

Bazı küçük ameliyatlar ve akıllı bir görüntüleme yaklaşımıyla araştırmacılar, kanatlıların örneklerinde oluşan kanat pullarını izlemeyi başardılar. Vanessa cardui, yaygın olarak Painted Lady kelebeği olarak bilinir. Bir kanat oluştukça, yüzeyindeki hücrelerin büyüdükçe düzenli sıralar halinde dizildiğini gözlemlediler. Bu hücreler hızla değişen “örtü” ve “zemin” ölçeklerine farklılaşarak üst üste binen shingle benzeri bir desen üretir. Tam boyutlarına ulaştıklarında, pullar uzunlukları boyunca ince sırtlar oluşturur – böceğin rengini kontrol eden ve yağmur ve nemi atmasına yardımcı olan küçük oluklu özellikler.

Kelebek Kanadında Ölçek Geliştirmek

SEM görüntüleme tipik olarak bir kelebek kanadında gelişen pulları görselleştirmek için kullanılır (sol üstte iki ayrı ölçek gösterilmiştir); yeni bir yaklaşım, bireysel ölçekleri daha ayrıntılı (sağ üst ve alt) göstermek için nicel faz görüntülemeyi kullanır. Ölçeklerin genişliği yaklaşık 50 μm’dir. Kredi: Anthony McDougal ve Sungsam Kang

Ekibin bugün (22 Kasım 2021) yayınlanan çalışması Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı, kelebek pullarının tomurcuklanan mimarisine şimdiye kadarki en detaylı görünümü sunuyor. Yeni görselleştirmeler aynı zamanda yanardöner pencereler ve su geçirmez tekstiller gibi yeni fonksiyonel malzemelerin tasarımı için bir plan görevi görebilir.

MIT Makine Mühendisliği Bölümü’nde araştırma görevlisi olan baş yazar Anthony McDougal, “Kelebek kanatları, kanat ölçeklerinin yapısal mimarisini hassas bir şekilde oluşturarak, özelliklerinin çoğunu kontrol eder” diyor. “Bu strateji, örneğin, otomobillere ve binalara hem renk hem de kendi kendini temizleme özellikleri vermek için kullanılabilir. Artık kelebeklerin bu karmaşık, mikro-nano yapılı malzemelerin yapısal kontrolünden öğrenebiliriz.”

McDougal’ın MIT’deki ortak yazarları arasında doktora sonrası Sungsam Kang, araştırma bilimcisi Zahid Yaqoob, makine mühendisliği ve biyolojik mühendislik profesörü Peter So ve makine mühendisliği doçenti Mathias Kolle yer alıyor.

ateş böceği tarlası

Bir kelebeğin kanadının enine kesiti, yapısı ve düzenlemesi türden türe değişen karmaşık bir pul ve kaburga iskelesini ortaya çıkarır. Bu mikroskobik özellikler, bir kelebeğe rengini ve parlaklığını vermek için ışığı etrafa saçan minik reflektörler gibi davranır. Bir kanadın pullarındaki çıkıntılar, böceği serin ve kuru tutmak için nemi ve ısıyı akıtan minyatür yağmur olukları ve radyatörler olarak işlev görür.

Araştırmacılar, sahteciliği caydırmak için yeni güneş pilleri ve optik sensörler, yağmura ve ısıya dayanıklı yüzeyler ve hatta yanardöner şifreleme desenli kağıt paralar tasarlamak için kelebek kanatlarının optik ve yapısal özelliklerini kopyalamaya çalıştılar. Kelebeklerin ölçeklerini büyütmek için hangi süreçleri kullandığını bilmek, bu tür biyo-ilhamlı teknoloji geliştirmeyi daha da yönlendirmeye yardımcı olabilir.

Şu anda, pul oluşumu hakkında bilinenler, gelişen ve olgun kelebek kanatlarının hareketsiz görüntülerine dayanmaktadır.

“Önceki çalışmalar, geliştirmenin belirli aşamalarında zorlayıcı anlık görüntüler sağlıyor; Ne yazık ki, ölçek yapıları büyüdükçe olan bitenin sürekli zaman çizelgesini ve sırasını ortaya çıkarmıyorlar” diyor Kolle. “Onu daha iyi anlamaya başlamak için daha fazlasını görmemiz gerekiyordu.”

Yeni çalışmalarında, o ve meslektaşları, yaşayan, dönüşen bir kelebekte pulların nasıl büyüdüğünü ve birleştiğini sürekli olarak gözlemlemeye çalıştılar. örneklerini incelemeyi seçtiler. vanessa cardui, çünkü kelebeğin kanatları çoğu lepidopteran türünde ortak olan özelliklere sahiptir.

Ekip, Painted Lady tırtıllarını ayrı kaplarda yetiştirdi. Her tırtıl, metamorfozunun başladığını gösteren bir krizalite kaplandığında, araştırmacılar kağıt inceliğinde malzemeyi dikkatlice kestiler ve küçük bir kütikül karesini veya gelişmekte olan kanadın kaplamasını soyup, altında büyüyen pulları açığa çıkardılar. Daha sonra açıklığın üzerine şeffaf bir lamel yapıştırmak için bir biyo-yapışkan kullandılar ve içinden kelebeğin ve pullarının oluşmaya devam etmesini izleyebilecekleri bir pencere oluşturdular.

Bu dönüşümü görselleştirmek için Kolle ve McDougal, benek-korelasyon yansıma aşaması mikroskobu adı verilen bir görüntüleme türünde uzmanlar olan Kang, Yaqoob ve So ile birlikte çalıştı. Ekip, hassas hücreler için fototoksik olabilecek geniş bir ışık huzmesini kanat üzerinde tutmak yerine, her biri kanattaki belirli bir noktada parlayan birçok küçük ışık noktası olan bir “benek alanı” uyguladı. Her küçük ışığın yansıması, kanat yapılarının ayrıntılı, üç boyutlu bir haritasını hızlı bir şekilde oluşturmak için alandaki diğer tüm noktalara paralel olarak ölçülebilir.

So, “Benekli bir alan, bir aydınlatma noktası alanı oluşturan binlerce ateş böceği gibidir” diyor. “Bu yöntemi kullanarak, farklı katmanlardan gelen ışığı izole edebilir ve bir yapıyı 3 boyutlu olarak verimli bir şekilde haritalamak için bilgileri yeniden yapılandırabiliriz.”

Kanat Ölçekleri ile Derinlik Taraması

Metamorfozunun %83’ünü tamamlamış bir pupanın kanat pullarının derinlik taraması. Soldaki, ölçekler tarafından yansıtılan ışık miktarını gösterirken, sağdaki faz bilgisi, ışığın ölçeklere ne kadar yol kat ettiğinin daha ince derecelerini gösterir. Kredi bilgileri: MIT

Bağlantılar kurmak

Ekip, büyüyen kelebek kanadının görselleştirmelerinde, mikrometre boyutundaki ölçeklerden bireysel ölçeklerde daha da ince, nanometre yüksekliğindeki sırtlara kadar oldukça ayrıntılı özelliklerin oluşumunu izledi.

Günler içinde hücrelerin hızla sıralar halinde dizildiğini ve kısa bir süre sonra alternatif bir örtü pulu (kanat üzerinde bulunanlar) ve yer pulu (altına sıkışmış olanlar) şeklinde farklılaştıklarını gözlemlediler. Nihai boyutlarına ulaştıklarında, her bir ölçek, küçük oluklu çatıya benzeyen uzun, ince sırtlar büyüdü.

McDougal, “Bu aşamaların çoğu daha önce anlaşıldı ve görüldü, ancak şimdi hepsini bir araya getirip sürekli olarak neler olduğunu izleyebiliyoruz, bu da bize ölçeklerin nasıl oluştuğuna dair ayrıntılar hakkında daha fazla bilgi veriyor” diyor.

İlginç bir şekilde ekip, pullardaki çıkıntıların beklenmedik bir şekilde oluştuğunu buldu. Bilim adamları bu oyukların sıkıştırmanın bir sonucu olduğunu varsaymışlardı: Pullar büyüdükçe akordeon gibi sıkıştıkları düşünülüyordu. Ancak ekibin görselleştirmeleri, herhangi bir malzemenin sıkıştırıldığında yapacağı gibi büzülmek yerine, yüzeylerinde çıkıntılar ortaya çıktıkça ölçeklerin boyutunun büyümeye devam ettiğini gösterdi. Bu ölçümler, başka bir sırt oluşturan mekanizmanın iş başında olması gerektiğini gösteriyor. Grup, bunu ve gelişen kelebek kanadındaki diğer süreçleri keşfetmeyi umuyor, bu da yeni fonksiyonel malzemelerin tasarımına bilgi vermeye yardımcı olabilir.

McDougal, “Bu makale kelebek kanadının yüzeyinde ne olduğuna odaklanıyor” diyor. “Fakat yüzeyin altında, havuç gibi kök salan ve diğer köklere bağlantılar gönderen hücreleri de görebiliriz. Hücreler organize olurken yüzeyin altında iletişim vardır. Ve yüzeyde, ölçeklerin kendi özellikleriyle birlikte ölçekler oluşuyor. Hepsini görselleştirebiliriz, ki bu gerçekten görmek çok güzel.”

Referans: 22 Kasım 2021, Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.
DOI: 10.1073/pnas.2112009118

Bu araştırma kısmen Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmiştir.





#Bir #Krizalite #Bakmak #İnanılmaz #Videolar #Metamorfoz #Sırasında #Oluşan #Kelebek #Kanatlarını #Yakalıyor