Crisálida, video de mariposa que se forman durante la metamorfosis

Las escalas más grandes y superpuestas en rojo y verde comienzan a formar sus detalles estructurales a la mitad del desarrollo (derecha). Cada imagen tiene 75 μm de ancho. Crédito: Anthony McDougal y Sungsam Kang
Las escalas más grandes y superpuestas en rojo y verde comienzan a formar sus detalles estructurales a la mitad del desarrollo (derecha). Cada imagen tiene 75 μm de ancho. Crédito: Anthony McDougal y Sungsam Kang

Los hallazgos podrían informar el diseño de nuevos materiales como ventanas iridiscentes o textiles impermeables.

Si roza las alas de una mariposa, es probable que salga con una fina pizca de polvo. 

Este polvo de lepidópteros está formado por diminutas escamas microscópicas, cientos de miles de las cuales empapelan las alas de una mariposa como tejas en un techo delgado como una oblea. 

La estructura y disposición de estas escamas le dan a la mariposa su color y brillo, y ayudan a proteger al insecto de los elementos.

Ahora, los ingenieros del MIT han capturado la intrincada coreografía de las escamas de mariposa que se forman durante la metamorfosis. 

El equipo ha observado por primera vez continuamente las escamas de las alas que crecen y se ensamblan a medida que una mariposa en desarrollo se transforma dentro de su crisálida.

Con una pequeña cirugía y un inteligente enfoque de imágenes, los investigadores pudieron observar la formación de escamas de alas en especímenes de Vanessa cardui, comúnmente conocida como la mariposa Painted Lady. 

Observaron que, a medida que se forma un ala, las células de su superficie se alinean en filas ordenadas a medida que crecen. 

Estas celdas se diferencian rápidamente en escalas alternas de “cobertura” y “suelo”, produciendo un patrón superpuesto similar a una teja. 

A medida que alcanzan su tamaño completo, las escamas brotan delgadas crestas a lo largo de su longitud: pequeñas características corrugadas que controlan el color del insecto y lo ayudan a eliminar la lluvia y la humedad.

Las imágenes SEM se utilizan típicamente para visualizar las escamas en desarrollo en un ala de mariposa (se muestran dos escalas individuales, arriba a la izquierda); 
un nuevo enfoque utiliza imágenes de fase cuantitativa para mostrar escalas individuales con más detalle (arriba a la derecha y abajo). 
El ancho de las escalas es de aproximadamente 50 μm. 
Crédito: Anthony McDougal y Sungsam Kang

El estudio del equipo, publicado el 22 de noviembre del 2021 en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias , ofrece la mirada más detallada hasta el momento de la arquitectura en ciernes de las escamas de las mariposas. 

Las nuevas visualizaciones también podrían servir como modelo para diseñar nuevos materiales funcionales, como ventanas iridiscentes y textiles impermeables.

“Las alas de mariposa controlan muchos de sus atributos al formar con precisión la arquitectura estructural de las escamas de sus alas”, dice el autor principal Anthony McDougal, asistente de investigación en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. “Esta estrategia podría usarse, por ejemplo, para dar color y propiedades de autolimpieza a automóviles y edificios. Ahora podemos aprender del control estructural de las mariposas de estos complejos materiales micro-nanoestructurados “.

Un campo de luciérnagas

La sección transversal del ala de una mariposa revela un intrincado andamio de escamas y costillas cuya estructura y disposición varía de una especie a otra. 

Estas características microscópicas actúan como pequeños reflectores, haciendo rebotar la luz para darle a la mariposa su color y brillo. 

Las crestas de las escamas de un ala sirven como canalones y radiadores de lluvia en miniatura, canalizando la humedad y el calor para mantener al insecto fresco y seco.

Los investigadores han intentado replicar las propiedades ópticas y estructurales de las alas de las mariposas para diseñar nuevas células solares y sensores ópticos, superficies resistentes a la lluvia y al calor, e incluso papel moneda estampada con encriptaciones iridiscentes para desalentar la falsificación. 

Saber qué procesos utilizan las mariposas para hacer crecer sus escamas podría ayudar a dirigir aún más este tipo de desarrollo de tecnología bioinspirada.

La naturaleza es el mejor ingeniero

Actualmente, lo que se conoce sobre la formación de escamas se basa en imágenes fijas de alas de mariposa maduras y en desarrollo.

“Los estudios anteriores brindan 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 ”, dice Kolle. “Necesitábamos ver más para empezar a entenderlo mejor”.

En su nuevo estudio, él y sus colegas buscaron observar continuamente cómo crecen y se ensamblan las escamas en una mariposa viva y su metaformósis. 

Eligieron estudiar especímenes de Vanessa cardui , ya que las alas de la mariposa tienen características que son comunes en la mayoría de las especies de lepidópteros.

El equipo crió orugas Painted Lady en contenedores individuales. 

Una vez que cada oruga se encerró en una crisálida, lo que indica el comienzo de su metamorfosis, los investigadores cortaron cuidadosamente el material delgado como el papel y despegaron un pequeño cuadrado de cutícula, o cubierta del ala en desarrollo, exponiendo las escamas que crecen debajo. 

Luego usaron un bioadhesivo para pegar un cubreobjetos transparente sobre la abertura, creando una ventana a través de la cual podían observar cómo la mariposa y sus escamas continuaban formándose.

Para visualizar esta transformación, Kolle y McDougal se asociaron con Kang, Yaqoob y So, expertos en un tipo de imagen llamada microscopía de fase de reflexión de correlación de puntos. 

En lugar de hacer brillar un amplio haz de luz en el ala, que podría ser fototóxico para las delicadas células, el equipo aplicó un “campo moteado”: muchos pequeños puntos de luz, cada uno de los cuales brilla en un punto específico del ala. 

El reflejo de cada pequeña luz se puede medir en paralelo con todos los demás puntos del campo para crear rápidamente un mapa tridimensional detallado de las estructuras del ala.

“Un campo moteado es como miles de luciérnagas que generan un campo de puntos de iluminación”, dice So. “Con este método, podemos aislar la luz proveniente de diferentes capas y reconstruir la información para mapear de manera eficiente una estructura en 3D”.

Un escaneo de profundidad a través de las escamas de las alas de una pupa que ha completado el 83% de su metamorfosis. 
La izquierda muestra la cantidad de luz reflejada por las escalas, mientras que la información de fase de la derecha muestra gradaciones más finas de cuánto viajó la luz a las escalas. 
Crédito: MIT

Haciendo conexiones

En sus visualizaciones del ala de mariposa en crecimiento, el equipo observó la formación de características muy detalladas, desde escalas del tamaño de un micrómetro hasta crestas aún más finas, de nanómetros de altura en escalas individuales.

Observaron que, en cuestión de días, las células se alineaban rápidamente en filas y poco después se diferenciaban en un patrón alterno de escamas de cobertura (las que cubrían el ala) y escamas del suelo (las que estaban debajo). 

Cuando alcanzaron su tamaño final, cada escama creció con crestas largas y delgadas que se asemejaban a pequeños techos corrugados.

“Muchas de estas etapas se entendían y veían antes, pero ahora podemos unirlas todas y observar continuamente lo que está sucediendo, lo que nos brinda más información sobre los detalles de cómo se forman las escamas”, dice McDougal.

Curiosamente, el equipo descubrió que las crestas en escamas se formaron de una manera inesperada. 

Los científicos habían asumido que estos surcos eran una consecuencia de la compresión: a medida que las escamas crecían, se pensaba que se apretaban como un acordeón. 

Pero las visualizaciones del equipo mostraron que en lugar de encogerse como lo haría cualquier material cuando se comprime, las escamas continuaron creciendo en tamaño a medida que aparecían crestas en su superficie. 

Estas medidas sugieren que debe estar funcionando otro mecanismo de formación de crestas. 

El grupo espera explorar este y otros procesos en el desarrollo del ala de la mariposa, que pueden ayudar a informar el diseño de nuevos materiales funcionales.

“Este artículo se centra en lo que hay en la superficie del ala de la mariposa”, señala McDougal. “Pero debajo de la superficie, también podemos ver células echando raíces como zanahorias y enviando conexiones a otras raíces. Hay comunicación debajo de la superficie a medida que se organizan las células. Y en la superficie, se están formando escamas, junto con características en las escamas mismas. Podemos visualizarlo todo, lo cual es realmente hermoso de ver “.

Referencia: 22 November 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2112009118

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