Как бабочки создают прозрачные крылья: учёные увидели невидимое

Многие животные эволюционировали для маскировки, но некоторые бабочки и мотыльки пошли дальше: они развили прозрачные крылья, делая себя почти невидимыми для хищников.

Команда учёных из Морской биологической лаборатории (MBL) изучила развитие одного такого вида — стеклянной бабочки Greta oto, чтобы раскрыть секреты этой природной технологии скрытности. Работа опубликована в Journal of Experimental Biology.

Хотя прозрачные структуры у животных хорошо известны, они гораздо чаще встречаются у водных организмов. «Это интересный биологический вопрос, потому что на суше не так уж много прозрачных организмов», — отмечает ведущий автор Аарон Померанц, аспирант Калифорнийского университета в Беркли. Они задались вопросом: какова реальная основа развития, позволяющая им создавать прозрачные крылья?

Крылья бабочек известны своими красочными узорами, создаваемыми крошечными перекрывающимися хитиновыми чешуйками, которые отражают или поглощают свет. Померанц отмечает, что хотя окраска чешуек интенсивно изучалась, исследование происхождения прозрачности у наземных бабочек ранее не проводилось. «Прозрачность — это своего рода противоположность цвету», — говорит он.

Исследователей, включая научного руководителя Померанца и директора MBL Нипама Пателя, вдохновила работа студентов курса эмбриологии MBL. Патель принёс на курс образцы прозрачных бабочек из своей коллекции. Студенты, изучив крылья под микроскопами, поняли, что «практически любой способ, который можно придумать для создания прозрачности крыла, какая-то бабочка или мотылёк уже нашёл». Это и побудило к детальному изучению развития прозрачности.

Используя конфокальную и сканирующую электронную микроскопию, учёные построили временную шкалу развития прозрачности у Greta oto — от стадии куколки до взрослой особи. Они обнаружили, что крылья стеклянной бабочки развиваются иначе, чем у непрозрачных видов: в областях, которые позже станут прозрачными, плотность клеток-предшественников чешуек ниже. На ранней стадии морфология растущих чешуек различалась: в прозрачных областях формировались тонкие щетинковидные чешуйки, а в непрозрачных — плоские и округлые.

«Что делает Greta oto — она создаёт меньше чешуек и придаёт им эти очень разные, щетинковидные формы», — объясняет Патель. Но убрать чешуйки — это только часть решения задачи создания прозрачности. Померанц также провёл серию наблюдений за наноструктурами на крыле, которые предотвращают блики на ярком солнце. Когда свет попадает на эти массивы наноструктур, он не отражается, а проходит прямо сквозь, что обеспечивает лучшую прозрачность.

«Мы, люди, думаем, что мы такие умные, потому что придумали антибликовое покрытие для стекла, но бабочки, по сути, поняли это десятки миллионов лет назад», — говорит Патель.

Необычные чешуйки и наноструктуры — лишь часть истории. Второй слой восковых углеводородных наностолбиков лежит на поверхности крыла, обеспечивая дополнительные антиотражательные свойства. Исследователи измерили отражательную способность крыльев до и после удаления воскового слоя гексаном.

«Мы измерили количество света, отражающегося от крыла. Эти эксперименты показали, что верхний слой очень важен для уменьшения бликов», — говорит Померанц. Биохимический анализ показал, что восковой слой в основном состоит из длинноцепочечных n-алканов, подобных тем, что встречаются у других видов насекомых. «В первую очередь считается, что они помогают предотвратить высыхание насекомого. Но в этом случае, похоже, они также используются для антибликовых свойств».

Будущие исследования могут углубиться в вопрос о том, как эти прозрачные структуры эволюционировали. Померанц указывает: «Если мы сможем больше узнать о том, как природа создаёт новые типы наноструктур, это может быть очень полезно для человеческих технологий». Эта работа делает секреты природной прозрачности значительно менее «непрозрачными».