如果用小刷子刷动蝴蝶的翅膀，你会发现小刷子上很可能就沾上了一层薄薄的粉末，这种粉尘常见于鳞翅目昆虫中，它由微小的鳞片组成。成千上万这样的极薄鳞片像屋顶上的瓦片一样排列，构成了蝴蝶的翅膀，形成了衍射光栅，赋予了蝴蝶以颜色和光泽，并保护它们免受恶劣环境的伤害。
蝴蝶的翅膀所呈现出的明亮的虹彩，并非来自任何色素分子，而是源自于翅膀的结构。自1938年，蝴蝶翅膀的生长在被首次记录以来，这些美丽的结构就一直吸引着科学家们的注意。因为它们所具有的独特的光学和结构性质，能有助于启发我们设计出新的材料和器件。
只可惜，目前科学家对于这些鳞片形成的了解，仍然仅限于一些正在发育的或已经成熟的蝴蝶翅膀的静态图像。如此一来，科学家只能了解翅鳞在特定发展阶段的情况，而无法揭示鳞片结构在生长过程中的连续时间线和事件发生顺序。
现在，一组科学家运用更先进的成像技术，进一步揭示了这个复杂的过程。他们首次连续观察到一个发育中的蝴蝶在其蛹内转变时，其翅鳞的生长和组装，这为蝴蝶鳞片的结构提供了迄今为止最详细的观察。研究人员将新的研究结果发表在了近期的《美国国家科学院院刊》上，
蝴蝶翅膀的横截面呈现出复杂的鳞片支架和脊状物，其结构和排列因物种而异。这些微观特征就像是微小的反射器，可以反射周围的光。翅鳞上的脊状物就像微型的水槽和散热器，能够汇集水分和热量，使昆虫保持凉爽和干燥。
在新的研究中，研究人员在实验室里培育了许多小红蛱蝶（Vanessa cardui）。之所以选择小红蛱蝶作为研究对象，是因为这种蝴蝶的翅膀具有大多数鳞翅目动物共有的特征。
小红蛱蝶（Vanessa cardui）| 图片来源：kie-ker / Pixabay
在实验中，小红蛱蝶的幼虫被分批饲养在单独的容器中，一旦这些幼虫被包裹进蛹，就标志着其蜕变成蝴蝶的过程开始了。这时，研究人员会采用几个精细的“外科手术”步骤，来观察翅膀在蛹的内部的发育情况。
首先，他们用手术刀切除部分表皮从而暴露出前翅，在这个过程中，蛹会被麻醉。然后，他们用一种生物粘合剂在被切除的区域放置一块盖玻片，并用一个光固化灯对其进行密封。在处理后翅时，研究人员会抓住蛹的表皮和前翅，将它们向头部方向折叠，并用一种复合材料线条来分离后翅和前翅。接着，他们会再次使用盖玻片来保护暴露的翅膀，这样的操作过程创造出了一个窗口，通过这个窗口，研究人员得以在一个活体蝴蝶身上观察它的鳞片的后续生长过程。
在一切就绪之后，研究人员需要用一种特殊的成像方法来捕捉翅鳞的形成，因为简单地将宽光束照射在翅鳞上，可能会对那些脆弱的细胞造成伤害。他们使用了一种被称为散斑相关反射相位显微术的成像方法，这种所谓的“散斑场”方法会用到许多的小光点，每个光点都照射在翅鳞上的一个特定点上。每一束微小光线的反射都可以与电场中的其他点并行测量，从而快速绘制出翅鳞结构的详细三维图像。
这是对蛹中的一只已经完成83%的变形的翅膀进行的深度扫描。左边显示的是鳞片所反射的光的量，右边的相位信息显示了光到达鳞片的距离。| 图片来源：MIT
在对蝴蝶翅膀生长的可视化中，研究小组以极高的细节观测到了一些特征的形成，从微米大小的鳞片到更细的、纳米级的单个鳞片上的脊。他们观察到，翅膀表面的细胞能在几天的时间内迅速排成一行，这些细胞会迅速分化为上下交替覆盖的鳞片，产生重叠的瓦片状模式。待它们长到足够大时，每个鳞片都变得又长又薄，形成一种微小的波纹状特征，能够控制翅膀的颜色，并帮助它排出雨水和水分。
蝴蝶的翅膀通过精确地形成鳞结构来控制它们的许多属性，研究人员希望，这项研究能够帮助我们设计出具有特殊颜色或功能的材料。其实，在此之前，科学家已经看到并了解了很多翅鳞的生长阶段，但直到现在，研究人员才可以将这些信息缝合在一起，得到一个连续的观察结果，为鳞片的形成细节提供更多信息。
#创作团队：
文：糖兽
#参考来源：
https://news.mit.edu/2021/butterfly-wing-scales-growth-1122
https://arstechnica.com/science/2021/11/metamorphosis-scientists-watch-butterfly-wings-grow-inside-chrysalis-in-real-time/
#图片来源：
封面图：Anthony McDougal and Sungsam Kang