Истинные цвета: использование рентгеновских лучей для изучения эволюции структурной окраски насекомых

Многие цвета в природе создаются пигментами, которые поглощают свет в разной степени и отражают остальное, создавая, например, оттенки красного и коричневого. Так же окрашены наша одежда и другие предметы с помощью химических красителей. Но переливчатые синие и зелёные цвета, встречающиеся у насекомых и других животных, — другие. Эти организмы каким-то образом эволюционировали, чтобы выращивать сложные наноструктуры, которые рассеивают или дифрагируют свет, создавая металлические цвета.

Учёные не уверены, как этот удивительный процесс развивался со временем, но команда исследователей из Сингапура и Ирландии полна решимости это выяснить. Недавно они сделали гигантский шаг вперёд, используя мощные рентгеновские лучи Advanced Photon Source (APS) — пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США (DOE) в Argonne National Laboratory — для анализа 13 000-летних окаменелостей жуков.

Команда изучила надкрылья двух окаменелых долгоносиков (вид мелких жуков) поздней плейстоценовой эпохи, найденных на берегу озера Лобзигензе в Швейцарии и идеально сохранившихся в осадке. Они обнаружили, что ожидаемые фотонные наноструктуры — повторяющиеся микроскопические расположения кристаллоподобного материала — также идеально сохранились, давая учёным окно в то, как эти структуры могли эволюционировать со временем.

Согласно Виноду Кумару Саранатану, доценту наук о жизни в Йель-НУС-колледже в Сингапуре, они обнаружили, что изученные синие и зелёные структурные цвета не изменились за 13 000 лет.

«Мы сравнили эти образцы с крыльями современных жуков того же рода и обнаружили, что они очень похожи, — сказал Саранатан, руководивший этим исследованием в сотрудничестве с палеобиологами Марией Макнамарой и Люком Макдональдом из Университетского колледжа Корка в Ирландии. — Это долгий срок для насекомых, почти 50 000 поколений, а цвет не изменился».

Хотя разные семейства насекомых выращивают разные виды наноструктур, все они сходятся к схожим блестящим качествам. Это не цвета, созданные пигментами, поэтому они не выцветают со временем. Кристаллические структуры отражают свет таким образом, что цвета становятся переливчатыми, ярче и привлекательнее, чем цвета, которые мы можем произвести химическим путём. Нахождение способа воспроизвести этот процесс может привести к созданию более ярких, долговечных и экологически чистых цветов для производства.

По словам Саранатана, считается, что зелёные цвета долгоносиков впервые эволюционировали как камуфляж миллионы лет назад, когда насекомые начали питаться растительным соком и листьями. Со временем они начали использовать эти переливчатые цвета для сигнализации потенциальным партнёрам и отпугивания хищников. Насекомые — не единственные животные, у которых развились эти сложные 3D-наноструктуры; предыдущие исследования Саранатана обнаружили их, например, и у бабочек.

Ключом к изучению этих структур являются сверхъяркие рентгеновские лучи, генерируемые APS. Исследовательская группа использовала методы рентгеновского рассеяния для зондирования структур и объединила эти результаты с данными, полученными с помощью электронных микроскопов и оптического моделирования.

Саранатан впервые начал привозить окаменелости животных и птиц в APS в 2008 году и с тех пор работает с Сурешом Нараянаном, физиком и руководителем группы, и Алеком Сэнди, заместителем директора отдела по технологиям рентгеновской науки, оба из Отдела рентгеновской науки (XSD) Аргонна. И Нараянан, и Сэнди являются соавторами недавнего исследования долгоносиков, опубликованного в Biology Letters. Часть исследования на APS была выполнена на пучковой линии XSD 8-ID-I.

«APS уникален тем, что у нас есть небольшой и чистый, но очень интенсивный рентгеновский луч, который может сканировать область в 10–15 микрон, — сказал Нараянан. — Чистый луч помогает исследовать структуры микронного масштаба, что крайне важно для этого типа исследований».

Нараянан рассматривает это исследование как свидетельство работы, проводимой в пользовательских центрах DOE по всей стране.

«Пользовательские центры занимаются не одним видом науки, — сказал он. — Они затрагивают области всех дисциплин. Работая над этим исследованием, мы можем внести вклад в понимание эволюции».

Саранатан говорит, что способность APS с высокой точностью исследовать большое количество образцов одновременно, сохраняя при этом сами образцы — что не гарантируется другими методами анализа, — заставляет его возвращаться в Аргонн для своих исследований.

«APS — одно из лучших мест в мире для изучения 3D-наноструктур, — сказал он. — Пучковая линия может быть оптимизирована для изучения структур в этих масштабах длин. Это сверхбыстро и сверхточно, без повреждения образца».

Саранатан изучает эти кристаллические наноструктуры более десяти лет, и его цель, по его словам, — окончательно выяснить причины их эволюции. Однако для этого ему потребуется больше образцов окаменелостей, а их трудно найти.

Саранатан сказал, что это лишь второй случай, когда 3D-изображения фотонных наноструктур были изучены в летописи окаменелостей. Он и Макнамара также руководили первым подобным исследованием. Последние окаменелости сохранились случайно, отметил Саранатан. Жуки погибли вдоль берега озера, а отложения, в которых они были найдены, были доступны.

«Это доказательство концепции, — сказал Саранатан. — Это сложнее, потому что такие образцы редки, но мы знаем, что можем узнать больше о том, как эволюционировали эти наноструктуры».