如果用小刷子刷動蝴蝶的翅膀，你會發(fā)現(xiàn)小刷子上很可能就沾上了一層薄薄的粉末，這種粉塵常見于鱗翅目昆蟲中，它由微小的鱗片組成。成千上萬這樣的極薄鱗片像屋頂上的瓦片一樣排列，構(gòu)成了蝴蝶的翅膀，形成了衍射光柵，賦予了蝴蝶以顏色和光澤，并保護(hù)它們免受惡劣環(huán)境的傷害。

蝴蝶的翅膀所呈現(xiàn)出的明亮的虹彩，并非來自任何色素分子，而是源自于翅膀的結(jié)構(gòu)。自1938年，蝴蝶翅膀的生長在被首次記錄以來，這些美麗的結(jié)構(gòu)就一直吸引著科學(xué)家們的注意。因?yàn)樗鼈兯哂械莫?dú)特的光學(xué)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，能有助于啟發(fā)我們設(shè)計(jì)出新的材料和器件。

只可惜，目前科學(xué)家對于這些鱗片形成的了解，仍然僅限于一些正在發(fā)育的或已經(jīng)成熟的蝴蝶翅膀的靜態(tài)圖像。如此一來，科學(xué)家只能了解翅鱗在特定發(fā)展階段的情況，而無法揭示鱗片結(jié)構(gòu)在生長過程中的連續(xù)時間線和事件發(fā)生順序。

現(xiàn)在，一組科學(xué)家運(yùn)用更先進(jìn)的成像技術(shù)，進(jìn)一步揭示了這個復(fù)雜的過程。他們首次連續(xù)觀察到一個發(fā)育中的蝴蝶在其蛹內(nèi)轉(zhuǎn)變時，其翅鱗的生長和組裝，這為蝴蝶鱗片的結(jié)構(gòu)提供了迄今為止最詳細(xì)的觀察。研究人員將新的研究結(jié)果發(fā)表在了近期的《美國國家科學(xué)院院刊》上，

蝴蝶翅膀的橫截面呈現(xiàn)出復(fù)雜的鱗片支架和脊?fàn)钗?，其結(jié)構(gòu)和排列因物種而異。這些微觀特征就像是微小的反射器，可以反射周圍的光。翅鱗上的脊?fàn)钗锞拖裎⑿偷乃酆蜕崞?，能夠匯集水分和熱量，使昆蟲保持涼爽和干燥。

在新的研究中，研究人員在實(shí)驗(yàn)室里培育了許多小紅蛺蝶（Vanessa cardui）。之所以選擇小紅蛺蝶作為研究對象，是因?yàn)檫@種蝴蝶的翅膀具有大多數(shù)鱗翅目動物共有的特征。

 小紅蛺蝶（Vanessa cardui）| 圖片來源：kie-ker / Pixabay

在實(shí)驗(yàn)中，小紅蛺蝶的幼蟲被分批飼養(yǎng)在單獨(dú)的容器中，一旦這些幼蟲被包裹進(jìn)蛹，就標(biāo)志著其蛻變成蝴蝶的過程開始了。這時，研究人員會采用幾個精細(xì)的“外科手術(shù)”步驟，來觀察翅膀在蛹的內(nèi)部的發(fā)育情況。

首先，他們用手術(shù)刀切除部分表皮從而暴露出前翅，在這個過程中，蛹會被麻醉。然后，他們用一種生物粘合劑在被切除的區(qū)域放置一塊蓋玻片，并用一個光固化燈對其進(jìn)行密封。在處理后翅時，研究人員會抓住蛹的表皮和前翅，將它們向頭部方向折疊，并用一種復(fù)合材料線條來分離后翅和前翅。接著，他們會再次使用蓋玻片來保護(hù)暴露的翅膀，這樣的操作過程創(chuàng)造出了一個窗口，通過這個窗口，研究人員得以在一個活體蝴蝶身上觀察它的鱗片的后續(xù)生長過程。

在一切就緒之后，研究人員需要用一種特殊的成像方法來捕捉翅鱗的形成，因?yàn)楹唵蔚貙捁馐丈湓诔狩[上，可能會對那些脆弱的細(xì)胞造成傷害。他們使用了一種被稱為散斑相關(guān)反射相位顯微術(shù)的成像方法，這種所謂的“散斑場”方法會用到許多的小光點(diǎn)，每個光點(diǎn)都照射在翅鱗上的一個特定點(diǎn)上。每一束微小光線的反射都可以與電場中的其他點(diǎn)并行測量，從而快速繪制出翅鱗結(jié)構(gòu)的詳細(xì)三維圖像。

 這是對蛹中的一只已經(jīng)完成83%的變形的翅膀進(jìn)行的深度掃描。左邊顯示的是鱗片所反射的光的量，右邊的相位信息顯示了光到達(dá)鱗片的距離。| 圖片來源：MIT

在對蝴蝶翅膀生長的可視化中，研究小組以極高的細(xì)節(jié)觀測到了一些特征的形成，從微米大小的鱗片到更細(xì)的、納米級的單個鱗片上的脊。他們觀察到，翅膀表面的細(xì)胞能在幾天的時間內(nèi)迅速排成一行，這些細(xì)胞會迅速分化為上下交替覆蓋的鱗片，產(chǎn)生重疊的瓦片狀模式。待它們長到足夠大時，每個鱗片都變得又長又薄，形成一種微小的波紋狀特征，能夠控制翅膀的顏色，并幫助它排出雨水和水分。

蝴蝶的翅膀通過精確地形成鱗結(jié)構(gòu)來控制它們的許多屬性，研究人員希望，這項(xiàng)研究能夠幫助我們設(shè)計(jì)出具有特殊顏色或功能的材料。其實(shí)，在此之前，科學(xué)家已經(jīng)看到并了解了很多翅鱗的生長階段，但直到現(xiàn)在，研究人員才可以將這些信息縫合在一起，得到一個連續(xù)的觀察結(jié)果，為鱗片的形成細(xì)節(jié)提供更多信息。