Автор: Dmytro_Kikot. Так уж сложилось, что человеку присуще создавать ассоциации, часть которых имеет вполне прямолинейную логику, а часть — более абстрактна. К примеру, слово «зима» у многих ассоциируется с холодом, снегом, новогодними мероприятиями и некомпетентностью коммунальных служб. Если же говорить о чем-то более приятном, то слово «бабочка» ассоциируется с легкостью, нежностью и, конечно же, красочностью.

И правда, у многих видов чешуекрылых крылья украшены самыми невероятными цветами и замысловатыми узорами, вызывающими недоумение у хищников и восхищение у художников и поэтов.

Однако некоторые бабочки и мотыльки решили отказаться от яркого одеяния в угоду полного «ню», а именно в угоду прозрачности. Предназначение прозрачных (или частично прозрачных) крыльев ясна — камуфляж, но какова природа этой удивительной способности доселе было неясно. Посему ученые из Калифорнийского университета (США) решили провести детальный анализ структуры крыла разных «прозрачнокрылых» видов, который показал разные механизмы достижения прозрачности. В чем же секрет прозрачных крыльев, и насколько сильно они отличаются от цветных с точки зрения морфологии? Ответы на эти и другие вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Мир насекомых всегда вызывал неподдельный интерес у любознательных умов: великое множество разнообразных существ, каждое из которых обладает тем или иным уникальным функциональным биологическим приспособлением, помогающим выживать в условиях постоянной внутривидовой конкуренции и межвидовой борьбы. Бабочки, относящиеся к отряду чешуекрылых (Lepidoptera), стали объектом множества исследований, в которых ученые изучали как их удивительные крылья, так и жизненный цикл, включающий полное превращение из гусеницы в бабочку.

Ранее мы с вами уже заглянули за кулисы таинственного процесса формирования крыльев в процессе метаморфоза, протекающего внутри куколки (Магия внутри кокона: как формируются крылья будущей бабочки). Правда, это исследование касалось «цветных» бабочек, которых хоть и больше, но есть и частично прозрачные (1A-1H).

Изображение №1

Ученые, недолго думая, отнесли эту особенность к камуфляжу, что вполне логично. В случае бабочек прозрачность является результатом пропускания света видимого спектра через материал, в данном случае через хитиновую мембрану, без заметного поглощения или отражения. Уровни отражения в значительной степени определяются различиями в показателях преломления между биологическими тканями и средой, и большая разница приводит к более высокому отражению.

Прозрачность в природе достаточно часто встречается у обитателей морской среды, чему способствует близкое соответствие показателей преломления их тканей и окружающей среды, т.е. воды. Но вот прозрачность на суше встречается крайне редко. Ученые считают, что это связано со сложностью достижения этой самой прозрачности ввиду большой разницы между показателями преломления тканей наземных организмов (n = ~ 1.3–1.5) и воздуха (n = 1), что приводит к значительному поверхностному отражению.

Тем не менее некоторые организмы развили морфологические особенности, которые преодолевают проблемы наземной прозрачности, особенно в форме антиотражающих наноструктур. К примеру, еще в 60-ых ученые выявили высокоупорядоченные субволновые наноструктуры на поверхности роговицы глаз насекомых (The insect corneal nipple array). Было обнаружено, что эти структуры обычно имеют высоту ~ 150–250 нм, а расстояние между ними составляет ~ 200 нм. Это снижает отражение в широком диапазоне длин волн за счет создания более плавного градиента показателей преломления между воздухом и хитином (Light on the moth-eye corneal nipple array of butterflies). Подобные массивы наноструктур также были обнаружены на крыльях цикад, которые помогают уменьшить поверхностное отражение в видимом спектре (Design for approaching Cicada-wing reflectance in low- and high-index biomimetic nanostructures).

Как мы уже поняли, некоторые чешуекрылые обладают «прозрачными крыльями», чешуя которых претерпела изменения, позволяющие свету достигать поверхности мембраны крыла. Само крыло состоит из хитина и обладает некоторой присущей ему прозрачностью, но благодаря высокому показателю преломления хитина (n = 1.56) поверхность крыла отражает свет.

Methona confusa (слева) и Chorinea faunus (справа).

К примеру, бабочка Methona confusa имеет обнаженную мембрану крыла, на поверхности которой отсутствуют наноструктуры. В результате этого крыло несколько прозрачно, но сохраняет высокую степень отражательной способности (1А-1Е). А вот Chorinea faunus имеет мелкие распределенные чешуйки и куполообразные хитиновые нановыступы на мембране, которые создают антиотражающий эффект.

Массивы наноструктур также были найдены в прозрачных областях крыльев мотылька Cacostatia ossa, а Greta oto имеет тонкие вертикально ориентированные чешуйки, позволяющие обнажать поверхность крыла, а также наностолбики, покрывающие поверхность (1F-1J).

Greta oto

Неравномерно расположенные наностолбики Greta oto имеют случайное распределение по высоте и обеспечивают всенаправленные антиотражательные свойства (1I и 1J).

Вышеописанные виды являются примером того, что у разных бабочек, коим присуща та или иная степень прозрачности крыльев, имеется разный механизм достижения этой прозрачности. Это говорит о том, что подобная физиологическая особенность развивалась у них параллельно, т.е. имеет разные (а не общий) эволюционные корни.