diciembre 3, 2021

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Al principio, los científicos capturaron el crecimiento de las alas de las mariposas dentro de la crisálida en un video.

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Ampliar / Una mariposa pintada aterriza sobre una flor. Los colores brillantes iridiscentes en sus alas no provienen de moléculas de pigmento, sino de cómo están estructuradas las alas. Las escalas de quitina forman esencialmente una red de difracción sintonizada con longitudes de onda de luz específicas.

Uno de los poemas mas conocidos de Gerard Manley Hopkins abre con un homenaje al fenómeno de la iridiscencia. Está representado por las coloridas alas de martines pescadores y libélulas en el poema de Hopkins, pero también se puede encontrar iridiscencia en las alas de cigarras y mariposas, ciertas especies de escarabajos y las coloridas plumas de pavos reales machos. Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha capturado en video el crecimiento estructural único de las alas de una mariposa, continuamente, mientras una mariposa se desarrolla dentro de su crisálida, por primera vez. Los investigadores describieron sus hallazgos en un nuevo artículo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Igual que Escribí previamente, los colores brillantes iridiscentes en las alas de una mariposa no provienen de ninguna molécula de pigmento, sino de cómo están estructuradas las alas. Es un ejemplo natural de lo que los físicos llaman cristales fotónicos. Las escamas de quitina (un polisacárido común a los insectos) están dispuestas como baldosas. Esencialmente forman una rejilla de difracción, excepto los cristales fotónicos que producen solo ciertos colores o longitudes de onda de luz, mientras que una rejilla de difracción producirá todo el espectro, como un prisma.

También conocidos como materiales de banda prohibida fotónicos, los cristales fotónicos son “sintonizables”, lo que significa que están ordenados con precisión para bloquear ciertas longitudes de onda de luz mientras dejan pasar otras. Cambie la estructura cambiando el tamaño de los mosaicos y los cristales se volverán sensibles a una longitud de onda diferente. (En realidad, el gorgojo del arco iris puede controlar el tamaño de sus escamas y la cantidad de quitina utilizada para ajustar estos colores según sea necesario).

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Aún mejor (desde el punto de vista de la aplicación), la percepción del color no depende del ángulo de visión. Y las escalas no son solo por estética; ayudan a proteger al insecto de los elementos. Hay varios tipos de cristales fotónicos artificiales, pero obtener una comprensión mejor y más detallada de cómo crecen estas estructuras en la naturaleza puede ayudar a los científicos a diseñar nuevos materiales con cualidades similares, como ventanas iridiscentes, superficies autolimpiables para automóviles y edificios, o incluso textiles impermeables. El papel moneda puede incorporar patrones iridiscentes encriptados para disuadir a los falsificadores.

Las alas de mariposa han fascinado a los científicos durante mucho tiempo, desde la primera documentación del crecimiento de estas alas en 1938. Ahora tenemos técnicas de imágenes mucho más avanzadas, que arrojan más luz sobre este complejo proceso. “Estudios previos proporcionar instantáneas convincentes en etapas seleccionadas de desarrollo; desafortunadamente, no revelan la línea de tiempo continua y la secuencia de lo que sucede a medida que crecen las estructuras de escala “. dijo el coautor Mathias Kolle, ingeniero mecánico del MIT. “Necesitábamos ver más para empezar a entenderlo mejor”.

Grandes escamas rojas y verdes superpuestas comienzan a formar sus detalles estructurales.
Ampliar / Grandes escamas rojas y verdes superpuestas comienzan a formar sus detalles estructurales.

Anthony McDougal / Sungsam Kann

El equipo crió muchas mariposas hembras pintadas (Vanessa Cardui) en el laboratorio, controlando cuidadosamente las larvas alojadas en contenedores individuales hasta que las larvas cambien de piel. Después de que las orugas se envolvieron en una crisálida y comenzó la metamorfosis final en mariposas, los investigadores comenzaron a registrar el proceso. Se basaron en algunos enfoques quirúrgicos para obtener una visión interna del desarrollo de las alas en las pupas.

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Primero, los investigadores expusieron el ala anterior quitando parte de la cutícula con un bisturí; las pupas fueron anestesiadas para este proceso. Luego colocaron un cubreobjetos de vidrio delgado sobre el área extirpada con un bioadhesivo y lo sellaron con una lámpara de fotopolimerización portátil.

Para visualizar las alas posteriores, el equipo del MIT tomó las cutículas y las alas delanteras de la crisálida y las dobló hacia la cabeza. Las alas anteriores y posteriores se separaron con una tira de composite dental. Una vez más, los investigadores utilizaron un cubreobjetos de vidrio para proteger el ala expuesta y proporcionar una ventana para la crisálida, sellando la ventana con un diente compuesto.

(esquina superior izquierda) Imagen SEM típica del desarrollo de escamas en alas de mariposa.  (esquina superior derecha, inferior) La imagen de fase cuantitativa muestra escalas individuales con más detalle.
Ampliar / (esquina superior izquierda) Imagen SEM típica del desarrollo de escamas en alas de mariposa. (esquina superior derecha, inferior) La imagen de fase cuantitativa muestra escalas individuales con más detalle.

Anthony McDougal / Sungsam Kang

Sin embargo, los investigadores necesitaban un tipo especial de imagen para capturar la formación de las alas, ya que simplemente lanzar un amplio haz de luz sobre el ala podría dañar las células. La solución: microscopía de reflexión de fase de correlación punteada, que consiste en hacer brillar muchos puntos diminutos de luz en puntos específicos del ala.

“Un campo punteado es como miles de luciérnagas que generan un campo de puntos de luz”, dijo el coautor Peter So, uno de los tres especialistas en este tipo de imagen que colaboró ​​en los experimentos. “Con este método, podemos aislar la luz proveniente de diferentes capas y reconstruir la información para mapear de manera eficiente una estructura 3D”.

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