Mengintip ke dalam kepompong, video mengungkapkan pertumbuhan sisik sayap kupu-kupu

  • Whatsapp


Jika Anda menyikat sayap kupu-kupu, kemungkinan besar Anda akan keluar dengan taburan bedak halus. Debu lepidopteran ini terdiri dari sisik mikroskopis kecil, ratusan ribu di antaranya membentuk sayap kupu-kupu seperti sirap di atap tipis. Struktur dan susunan sisik ini memberi kupu-kupu warna dan kilauannya, dan membantu melindungi serangga dari unsur-unsurnya.

Sekarang, para insinyur MIT telah menangkap koreografi rumit dari sisik kupu-kupu yang terbentuk selama metamorfosis. Tim untuk pertama kalinya secara terus menerus mengamati sisik sayap yang tumbuh dan berkumpul saat kupu-kupu yang sedang berkembang berubah di dalam kepompongnya.

Sisik yang lebih besar dan tumpang tindih dengan warna merah dan hijau mulai membentuk detail strukturalnya di tengah perkembangan (kanan). Setiap gambar memiliki lebar 75 m. Kredit gambar: Anthony McDougal dan Sungsam Kang

Dengan beberapa operasi kecil dan pendekatan pencitraan yang cerdas, para peneliti dapat melihat bentuk sisik sayap pada spesimen Vanessa cardui, umumnya dikenal sebagai kupu-kupu Painted Lady. Mereka mengamati bahwa, ketika sayap terbentuk, sel-sel di permukaannya berbaris dalam barisan yang teratur saat mereka tumbuh. Sel-sel ini dengan cepat berdiferensiasi menjadi sisik “penutup” dan “tanah” yang bergantian, menghasilkan pola seperti sirap yang tumpang tindih. Saat mereka mencapai ukuran penuhnya, sisik-sisik itu menumbuhkan tonjolan tipis di sepanjang panjangnya — fitur bergelombang kecil yang mengontrol warna serangga dan membantunya menumpahkan hujan dan kelembapan.

Studi tim, yang diterbitkan di Prosiding National Academy of Sciences, menawarkan tampilan paling detail pada arsitektur pemula dari sisik kupu-kupu. Visualisasi baru juga dapat berfungsi sebagai cetak biru untuk merancang bahan fungsional baru, seperti jendela warna-warni dan tekstil tahan air.

“Sayap kupu-kupu mengontrol banyak atribut mereka dengan membentuk arsitektur struktural sisik sayap mereka secara tepat,” kata penulis utama Anthony McDougal, asisten peneliti di Departemen Teknik Mesin MIT. “Strategi ini dapat digunakan, misalnya, untuk memberikan warna dan sifat pembersihan sendiri pada mobil dan bangunan. Sekarang kita dapat belajar dari kontrol struktural kupu-kupu terhadap material berstruktur mikro yang kompleks ini.”

Rekan penulis McDougal di MIT termasuk postdoc Sungsam Kang, ilmuwan peneliti Zahid Yaqoob, profesor teknik mesin dan teknik biologi Peter So, dan profesor teknik mesin Mathias Kolle.

Lapangan kunang-kunang

Penampang sayap kupu-kupu mengungkapkan perancah sisik dan rusuk yang rumit yang struktur dan susunannya bervariasi dari satu spesies ke spesies lainnya. Fitur mikroskopis ini bertindak sebagai reflektor kecil, memantulkan cahaya ke sekeliling untuk memberi warna dan kilau pada kupu-kupu. Bubungan pada sisik sayap berfungsi sebagai talang hujan mini dan radiator, menyalurkan kelembapan dan panas untuk menjaga serangga tetap dingin dan kering.

Para peneliti telah mencoba untuk meniru sifat optik dan struktural sayap kupu-kupu untuk merancang sel surya baru dan sensor optik, permukaan tahan hujan dan panas, dan bahkan mata uang kertas berpola dengan enkripsi warna-warni untuk mencegah pemalsuan. Mengetahui proses apa yang dimanfaatkan kupu-kupu untuk menumbuhkan sisiknya dapat membantu mengarahkan lebih lanjut pengembangan teknologi yang diilhami bio semacam ini.

Saat ini, apa yang diketahui tentang pembentukan sisik didasarkan pada gambar diam sayap kupu-kupu yang berkembang dan matang.

“Studi sebelumnya memberikan gambaran yang menarik pada tahap perkembangan tertentu; sayangnya, mereka tidak mengungkapkan garis waktu dan urutan berkelanjutan dari apa yang terjadi ketika struktur skala tumbuh, ”kata Kolle. “Kami perlu melihat lebih banyak untuk mulai memahaminya dengan lebih baik.”

Dalam studi baru mereka, dia dan rekan-rekannya terus mengamati bagaimana sisik tumbuh dan berkumpul pada kupu-kupu yang hidup dan berubah. Mereka memilih untuk mempelajari spesimen dari Vanessa cardui, karena sayap kupu-kupu memiliki ciri-ciri yang umum di sebagian besar spesies lepidoptera.

Tim mengangkat ulat Painted Lady dalam wadah individu. Begitu setiap ulat terbungkus dalam kepompong, menunjukkan awal metamorfosisnya, para peneliti dengan hati-hati memotong bahan setipis kertas dan mengupas kutikula kotak kecil, atau penutup sayap yang sedang berkembang, memperlihatkan sisik yang tumbuh di bawahnya. Mereka kemudian menggunakan bioadhesive untuk menempelkan kaca penutup transparan di atas bukaan, menciptakan jendela di mana mereka bisa melihat kupu-kupu dan sisiknya terus terbentuk.

Untuk memvisualisasikan transformasi ini, Kolle dan McDougal bekerja sama dengan Kang, Yaqoob, dan So — ahli dalam jenis pencitraan yang disebut mikroskop fase refleksi korelasi spekel. Alih-alih menyinari seberkas cahaya lebar di sayap, yang bisa menjadi fototoksik bagi sel-sel halus, tim menerapkan “bidang bintik” – banyak titik cahaya kecil, masing-masing menyinari titik tertentu di sayap. Pantulan setiap cahaya kecil dapat diukur secara paralel dengan setiap titik lain di lapangan untuk dengan cepat membuat peta tiga dimensi rinci dari struktur sayap.

“Lapangan berbintik-bintik itu seperti ribuan kunang-kunang yang menghasilkan bidang titik iluminasi,” kata So. “Dengan menggunakan metode ini, kami dapat mengisolasi cahaya yang datang dari lapisan yang berbeda, dan dapat merekonstruksi informasi untuk memetakan struktur secara efisien dalam 3D.”

Pemindaian mendalam melalui sisik sayap kepompong yang telah menyelesaikan 83% metamorfosisnya. Bagian kiri menunjukkan jumlah cahaya yang dipantulkan oleh timbangan, sedangkan informasi fase di sebelah kanan menunjukkan gradasi yang lebih baik tentang seberapa jauh perjalanan cahaya ke timbangan.

Membuat koneksi

Dalam visualisasi sayap kupu-kupu yang sedang tumbuh, tim mengamati pembentukan fitur yang sangat detail, dari skala berukuran mikrometer hingga tonjolan setinggi nanometer yang lebih halus pada skala individu.

Mereka mengamati bahwa, dalam beberapa hari, sel-sel dengan cepat berbaris dalam barisan, dan segera setelah dibedakan dalam pola sisik penutup (yang menutupi sayap) dan sisik tanah (yang terselip di bawah). Saat mereka mencapai ukuran akhir mereka, setiap sisik tumbuh panjang, punggungan tipis menyerupai atap bergelombang kecil.

“Banyak tahapan ini dipahami dan dilihat sebelumnya, tetapi sekarang kita dapat menggabungkan semuanya dan terus mengamati apa yang terjadi, yang memberi kita lebih banyak informasi tentang detail bagaimana timbangan terbentuk,” kata McDougal.

Menariknya, tim menemukan bahwa tonjolan pada sisik terbentuk dengan cara yang tidak terduga. Para ilmuwan berasumsi bahwa alur-alur ini adalah konsekuensi dari kompresi: Saat sisik tumbuh, mereka dianggap masuk seperti akordeon. Tetapi visualisasi tim menunjukkan bahwa alih-alih menyusut seperti bahan apa pun saat dikompresi, sisik terus tumbuh dalam ukuran saat tonjolan muncul di permukaannya. Pengukuran ini menunjukkan mekanisme pembentukan punggungan lain harus bekerja. Kelompok ini berharap untuk mengeksplorasi ini, dan proses lain dalam pengembangan sayap kupu-kupu, yang dapat membantu menginformasikan desain bahan fungsional baru.

“Makalah ini berfokus pada apa yang ada di permukaan sayap kupu-kupu,” catat McDougal. “Tapi di bawah permukaan, kita juga bisa melihat sel-sel meletakkan akar seperti wortel, dan mengirimkan koneksi ke akar lain. Ada komunikasi di bawah permukaan saat sel-sel terorganisir. Dan di permukaan, sisik terbentuk, bersama dengan fitur pada sisik itu sendiri. Kami dapat memvisualisasikan semuanya, yang sangat indah untuk dilihat.”

Ditulis oleh Jennifer Chu

Sumber: Institut Teknologi Massachusetts




Pos terkait

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Situs ini menggunakan Akismet untuk mengurangi spam. Pelajari bagaimana data komentar Anda diproses.