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Jetez un coup d’œil dans un cocon, des vidéos étonnantes qui capturent les ailes d’un papillon formé lors de la métamorphose

De plus grandes écailles rouges et vertes qui se chevauchent commencent à former leurs détails squelettiques à mi-chemin du développement (à droite). Chaque image mesure 75 µm de large. Crédit : Anthony McDougall et Songsam Kang

Les résultats pourraient aider à concevoir de nouveaux matériaux tels que des fenêtres irisées ou des textiles imperméables.

Si vous brossez les ailes d’un papillon, vous obtiendrez probablement une fine pulvérisation de poudre. Cette poussière de lépidoptères se compose de minuscules écailles microscopiques, dont des centaines de milliers laissent les ailes d’un papillon comme des plaques sur un toit mince. La structure et la disposition de ces écailles donnent au papillon sa couleur et son chatoiement, et elles aident à protéger l’insecte des éléments.

actuellement, Avec Les ingénieurs ont capturé la chorégraphie complexe des écailles de papillon qui se forment pendant la métamorphose. Pour la première fois, l’équipe a observé de manière constante que les écailles des ailes grandissent et se rassemblent à mesure qu’un papillon en croissance se transforme à l’intérieur de son cocon.

Avec quelques interventions chirurgicales simples et une approche d’imagerie intelligente, les chercheurs ont pu observer la formation d’écailles d’ailes dans des échantillons de Vanessa Cardoy Connu comme la dame papillon colorée. Ils notent qu’à mesure que les ailes se forment, les cellules à sa surface s’alignent en rangées ordonnées au fur et à mesure de leur croissance. Ces cellules se différencient rapidement en écailles de « couverture » ​​et de « plancher » qui se chevauchent, produisant un motif complexe ressemblant à des bardeaux. Lorsqu’elles atteignent leur taille maximale, les écailles poussent de minces éperons sur toute leur longueur – de minuscules caractéristiques ondulées qui contrôlent la couleur de l’insecte et l’aident à évacuer la pluie et l’humidité.

Le développement des écailles sur l'aile du papillon

L’imagerie SEM est généralement utilisée pour visualiser les écailles se développant sur l’aile d’un papillon (deux écailles individuelles sont affichées, en haut à gauche); Une nouvelle approche qui utilise l’imagerie de phase quantitative pour afficher les métriques individuelles plus en détail (en haut à droite et en bas). La largeur des écailles est d’environ 50 µm. Crédit : Anthony McDougall et Songsam Kang

L’étude de l’équipe a été publiée aujourd’hui (22 novembre 2021) dans Actes de l’Académie nationale des sciences, fournit l’examen le plus détaillé à ce jour de l’architecture émergente des écailles de papillon. Les nouvelles visualisations peuvent également servir de modèle pour la conception de nouveaux matériaux fonctionnels, tels que des fenêtres irisées et des textiles imperméables.

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« Les ailes d’un papillon contrôlent bon nombre de ses traits en façonnant avec précision la structure squelettique des écailles de ses ailes », explique l’auteur principal Anthony McDougall, assistant de recherche au département de génie mécanique du MIT. « Cette stratégie peut être utilisée, par exemple, pour donner à la fois de la couleur et des propriétés autonettoyantes aux voitures et aux bâtiments. Nous pouvons maintenant apprendre du contrôle structurel des papillons dans ces matériaux complexes micro-nanostructurés. « 

Les co-auteurs de McDougall incluent le postdoctorant du MIT Songsam Kang, le chercheur scientifique Zahid Yacoub, le professeur Peter Sue de génie mécanique et biologique et Matthias Kohli, professeur de génie mécanique.

champ de luciole

La coupe transversale de l’aile du papillon révèle un échafaudage complexe d’écailles et de côtes, dont la structure et la disposition diffèrent d’une espèce à l’autre. Ces caractéristiques microscopiques agissent comme de minuscules réflecteurs, qui font rebondir la lumière pour donner au papillon sa couleur et son éclat. Les éperons sur les écailles des ailes agissent comme de minuscules gouttières et radiateurs, transférant l’humidité et la chaleur pour garder l’insecte au frais et au sec.

Les chercheurs ont tenté de reproduire les propriétés optiques et structurelles des ailes de papillon pour concevoir de nouvelles cellules solaires et capteurs de lumière, des surfaces résistantes à la pluie et à la chaleur, et même des billets de banque arborant des chiffres irisés pour décourager la contrefaçon. Connaître les processus que les papillons utilisent pour faire pousser leurs coquilles peut aider à guider ce type de développement de technologie inspirée de la biologie.

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Actuellement, ce que l’on sait de la formation de volume est basé sur des images fixes d’ailes de papillon en développement et matures.

« Les études précédentes fournissent des instantanés convaincants à des stades de développement spécifiques ; malheureusement, elles ne révèlent pas la chronologie et la séquence en cours de ce qui se passe à mesure que les structures de la Balance se développent », a déclaré Cooley. « Nous avions besoin d’en voir plus pour commencer à mieux le comprendre. »

Dans leur nouvelle étude, lui et ses collègues ont cherché à surveiller en permanence la croissance et l’agrégation des écailles dans un papillon vivant et changeant. Ils ont choisi d’étudier des échantillons de Vanessa Cardoy, puisque les ailes de papillon ont des caractéristiques communes à la plupart des espèces de lépidoptères.

L’équipe a élevé des larves de Lady Painter dans des conteneurs individuels. Une fois que chaque chenille s’était recouverte d’un cocon, signalant le début de sa métamorphose, les chercheurs ont soigneusement coupé le matériau mince et décollé un petit carré de la cuticule, ou couverture de l’aile en développement, exposant les écailles qui poussaient en dessous. Ils ont ensuite utilisé un bio-adhésif pour coller un couvercle transparent sur l’ouverture, créant une fenêtre à travers laquelle ils pouvaient regarder le papillon et ses écailles se former.

Pour visualiser cette transformation, Kolle et McDougal ont collaboré avec Kang, Yaqoob et So, experts dans un type d’imagerie appelé microscopie à corrélation à inversion de phase. Au lieu de projeter un large faisceau de lumière sur l’aile, ce qui peut être phototoxique pour les cellules sensibles, l’équipe a appliqué un « champ ponctuel » – de nombreux petits points lumineux, chacun brillant à un point spécifique de l’aile. La réflexion de chaque petite lumière peut être mesurée parallèlement à chaque autre point du champ pour créer rapidement une carte 3D détaillée des structures des ailes.

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« Le champ tacheté est comme des milliers de lucioles qui génèrent un champ de points lumineux », dit-il. « En utilisant cette méthode, nous pouvons isoler la lumière provenant de différentes couches, et nous pouvons reconstruire les informations pour cartographier efficacement une structure tridimensionnelle. »

Balayage en profondeur à travers les écailles des ailes

Une analyse approfondie des écailles du pavillon de la nymphe a achevé 83 % de sa transformation. La gauche montre la quantité de lumière réfléchie par les échelles, tandis que les informations de phase sur la droite montrent des gradations plus fines de la distance parcourue par la lumière jusqu’aux échelles. Crédit : MIT

faire des relations

Dans leurs visualisations de l’aile en croissance du papillon, l’équipe a observé la formation de caractéristiques très détaillées, allant d’échelles micrométriques à de minuscules bords nanométriques sur des échelles individuelles.

Ils ont observé qu’en quelques jours, les cellules s’alignaient rapidement en rangées et, après un certain temps, elles se différenciaient en un motif alterné d’écailles de coiffe (celles au-dessus de l’aile) et d’écailles au sol (celles repliées en dessous). Quand ils ont atteint leur taille finale, chaque jauge est devenue de longs bords minces ressemblant à de minuscules toits ondulés.

« Beaucoup de ces étapes ont été comprises et vues auparavant, mais nous pouvons maintenant les reconstituer et surveiller constamment ce qui se passe, nous donnant plus d’informations sur les détails de la formation des écailles », a déclaré McDougall.

Fait intéressant, l’équipe a découvert que les bosses sur les écailles se formaient de manière inattendue. Les scientifiques ont émis l’hypothèse que ces rainures étaient le résultat d’une compression : au fur et à mesure que les écailles grandissaient, on pensait qu’elles se comprimaient comme un accordéon. Mais les visualisations de l’équipe ont montré qu’au lieu de rétrécir comme n’importe quel matériau lorsqu’il était compressé, les écailles continuaient de grossir à mesure que des bords apparaissaient à leur surface. Ces mesures indiquent qu’un autre mécanisme de formation des crêtes est nécessaire. Le groupe espère explorer ce processus, ainsi que d’autres, dans le développement de l’aile de papillon, ce qui pourrait aider à éclairer la conception de nouveaux matériaux fonctionnels.

« Cet article se concentre sur ce qu’il y a à la surface de l’aile d’un papillon », note McDougall. « Mais sous la surface, nous pouvons également voir des cellules poser des racines comme des îles, envoyer des jonctions à d’autres racines. Il y a des connexions sous la surface pendant que les cellules s’organisent. Et à la surface, les écailles se forment, ainsi que les caractéristiques sur le échelles elles-mêmes. Nous pouvons imaginer tout cela, ce qui est une très belle chose à voir. « 

Référence : 22 novembre 2021, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2112009118

Cette recherche a été financée, en partie, par la National Science Foundation.