Сотрудничество между биологами и учеными-материаловедами из Пенсильванского университета дает новое представление о крыльях «бабочки-шкипера» в тропических лесах Коста-Рики. То, что они узнают, может привести к технологическому прогрессу в различных системах, от энергоэффективных компьютерных дисплеев до датчиков и энергоэффективных зданий, окон и транспортных средств.
Шу Ян, профессор материаловедения и инженерии в Школе инженерии и прикладных наук, проводит исследования, чтобы имитировать цвет, отражательную способность и текстуру крыльев бабочки. Даниэль Янзен, профессор биологии биоразнообразия на кафедре биологии Школы искусств и наук Пенсильвании, изучающий биоразнообразие тропических бабочек с точки зрения его многочисленных применений, обратился с предложением начать сотрудничество после того, как Янзен заинтересовался работой Янзена со шведскими исследователями над причинами цветов осиных крыльев.
Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, было проведено Янгом Джанзеном, постдоком Дэнтенг Ге, выпускником Гаосян Ву, аспирантом Хе-На Ким и биологом из Пенна Винни Холлвакс. Джон Бернс, специалист по систематике бабочек и куратор чешуекрылых в Смитсоновском музее естественной истории в Вашингтоне, округ Колумбия, дал названия тропическим бабочкам и сохранил их, чтобы они могли провести такое исследование.
Разбирая коробки с тысячами бабочек, Бернс и Янцен заметили, что белый цвет на крыльях этих бабочек выглядит очень по-разному в зависимости от угла, под которым они наблюдаются. Янзен привел их к Янгу, чтобы задать простой вопрос, почему и узнать, что исследователи знают о белых цветах в природе.
Когда Ян принял вызов, Джанзен отметил, что яркий отражающий белый свет будет очень заметен вечером и в темном подлеске тропического леса, где они живут.
«Белизна, - сказал Ян, - хотя часто проявляется на крыльях, ногах или телах многих видов мотыльков и бабочек, наряду с другими цветами и оттенками, привлекла относительно мало внимания и легко игнорируется. «белый» часто может быть просто одним из многих цветов в более крупном сложном узоре, бывают случаи, когда сама белизна кажется ключевым сигналом».
Она сказала, что белизна технологически важна во многих коммерческих системах. Исследователи хотят знать, какие микроструктуры и наноструктуры способствуют появлению белизны, которая, как они обнаружили, различается у мужчин и женщин и может быть яркой или тусклой, а также зависеть от угла или независимо.
Исследуя окраску крыльев с помощью оптической микроскопии и различных оптических зондов, исследователи охарактеризовали оптические свойства, такие как зависимость наблюдателя от угла и положение чешуи крыла в плоском или гибком вертикальном положении. Используя эти методы, они увидели смешение цветов в определенных белых шкалах.
Вопреки иллюзии, для белого цвета не существует пигмента; белизна чисто структурная. На другой стороне крыла есть коричневатый цвет, похожий на ствол дерева или грязь, в которой есть пигменты для других цветов. Именно это позволяет отдыхающим бабочкам сливаться с окружающей средой.
Белизна на крыльях самцов бабочек, которая была гораздо заметнее, чем у самок, менялась в зависимости от угла.
Янзен поместил бабочку в Смитсоновский музей естественной истории для ее длительного хранения. Взяв их в руки, я увидел, что при взгляде под небольшим углом некоторые из белых пятен были яркими и четкими, как белый отражатель на задней части велосипеда, но при взгляде под прямым углом белизна исчезала.
Когда они дополнительно исследовали это с помощью сканирующей электронной микроскопии, которая отражает электроны от поверхностей для создания двумерного изображения структур, они обнаружили, что эти чешуйки не плоские; они встают и изгибаются, могут сгибаться или держаться согнутыми под крутым углом к поверхности крыла.
Белизна крыльев бабочек, вероятно, важна для сигналов или спаривания, сказал Ян, в то время как резкий контраст необходим в условиях слабого освещения, что объясняет, почему существует такая зависимость от угла.
Исследователи надеются провести дальнейшие сравнительные исследования других видов бабочек, которые имеют похожие белые узоры или другие цветовые узоры. Янзен сказал, что возникает вопрос, сколькими способами эволюция независимо создала ярко-белый или другие яркие цвета у других совершенно неродственных видов. Затем они надеются имитировать микроструктуры и наноструктуры этих бабочек для их окрашивания в устройствах.
«Белизна на самом деле очень важна в технологии», - сказал Ян. «Вы видите это в зубах, бумаге и окне вашего дисплея. Например, вы хотите, чтобы на экране вашего компьютера был очень белый фон, чтобы у вас был резкий контраст на дисплеях».
Наличие цвета, который появляется и исчезает в зависимости от его угла, может быть полезным при разработке умных окон, которые могут блокировать солнечный свет.
"В тропических районах много солнечного света, - сказал Ян, - поэтому люди на самом деле кладут белую крышу, чтобы она отражала свет и внутри было не так жарко".
Такого рода исследования текстур и микроструктур, которые создают цвета, также могут быть полезны для маскировки и сигнализации во всех видах наружного применения.
Ян сказал, что, если они смогут понять биологическую цель структур, они смогут разработать материалы, которые, хотя и не столь сложны в дизайне, как структуры на крыльях бабочки, являются одновременно простыми и масштабируемыми, но при этом имитируя хотя бы ту часть функций биологических систем, которая представляет интерес для различных слоев общества.
Работа, изложенная здесь, сказал Ян, иллюстрирует начало сотрудничества между биологами-эволюционистами и учеными-материаловедами, направленное на понимание того, как и почему эволюция структурных цветов насекомых развивается в рамках привычек, экологии и поведения насекомых.
«Я думаю, что важно, чтобы у нас был диалог», - сказал Ян. «Как только у нас будет диалог, мы сможем расшириться». Янзен добавляет, что для развития биомимикрии, ориентированной на использование, необходимо, среди прочего, «ознакомление с миллионами решений, которые природа эволюционно изобрела для своих избирательных задач».
«Это невозможно сделать, сидя в кресле в наших комфортабельных офисах и лабораториях, - сказал он, - но требует изучения живой природы с той же тщательностью, с которой заслуживают наши изобретения, созданные человеком». Я и мои полевые коллеги из Коста-Рики Янг, Бёрнс и их более городские коллеги тоже могут подобраться поближе, но очень близко и направлены на все слои общества: биоразвитие."