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Wissenschaftler rätseln, wie Schmetterlinge ihre bunten Schuppen zusammensetzen

2022

Vom Warnschild Orange der Monarchfalter bis zum königlichen Blau des Blue Morpho kommen Schmetterlinge in einem wahren Regenbogen von Farben.

Die Insekten zeigen diese unglaublichen Farben dank der Schuppen an ihren Flügeln. Diese Schuppen bestehen aus Kristallen, die aus einem Zuckermolekül namens Chitin bestehen (das gleiche Material, aus dem Insekten-Exoskelette und -Pilze bestehen). Die winzigen Kristalle auf Schmetterlingsschuppen heißen Gyroids. Sie sind für Biologen, aber auch für Materialwissenschaftler von Interesse. Die Gyroids der Schmetterlinge sind winziger und präziser als alles, was heutzutage von Menschen hergestellt wird.

In einem neuen Artikel in Science Advances wird untersucht, wie sich diese Kristalle auf einem Schmetterlingsflügel entwickeln, während er sich von einer Raupe in ihre schöne endgültige Form verwandelt.

Forscher können noch keine Kamera in einen Kokon stecken, um den Prozess in Echtzeit zu verfolgen - obwohl es Labore gibt, die genau an diesem Problem arbeiten. Zum einen sind Kameras so groß wie sie jetzt sind, nicht klein genug oder empfindlich genug, um Dinge wie sich bildende Schuppen in Echtzeit zu beobachten, und das feuchte Innere von Kokons eignet sich nicht für empfindliche Elektronik.

„Die Schmetterlingspuppe dauert normalerweise ungefähr zwei Wochen“, heißt es in einer E-Mail des Studienleiters Bodo Wilts. "Die Schuppen wachsen in ca. 2-3 Tagen von einer ersten identifizierbaren Form bis zur vollen Größe, abhängig von der Schmetterlingsart und den Bedingungen der Aufzucht."

Anstatt zu versuchen, die Entwicklung der Schuppen und Kreisel in Echtzeit zu beobachten, betrachteten Wilts und Kollegen die ausgereiften Schuppen des kleinen Hairstreak-Schmetterlings Thecla opisena aus Mexiko unter einem sehr starken Mikroskop und ließen sie Details der Flügelstruktur noch genauer erkennen.

"Ich war begeistert, als ich den Schmetterling zum ersten Mal unter dem Lichtmikroskop sah", sagt Wilts. "Ich hatte erwartet, das bei vielen Schmetterlingen übliche Muster von grünen Schuppen zu finden, fand aber stattdessen heraus, dass jede Flügelschuppe strukturierte Nanokristalle enthielt, die überraschenderweise nicht miteinander verbunden waren."

Bei diesem Schmetterling waren die Kreisel in kleinen bis großen Linien auf einer einzigen Skala angeordnet, was der Skala ihren ikonischen Glanz und ihr Pigment verlieh und den Forschern einen Einblick in ihre Entstehungsgeschichte gab. Sie sagen, dass anstatt in einer voreingestellten Vorlage innerhalb des Kokons die Form der Strukturen mit der Zeit dynamisch zu wachsen scheint.

In dieser Studie wurde nur eine der über 140.000 Schmetterlingsarten untersucht, aber es besteht eine gute Chance, dass die Forscher mehr darüber erfahren, wie andere ihre charakteristischen Flügelmuster bilden.

"Wir gehen davon aus, dass der hier entwickelte Wachstumsmechanismus auf andere Schmetterlinge mit einem ähnlichen Schuppenmuster anwendbar ist", sagt Wilts. Ich bin jedoch überzeugt, dass es für die meisten Flügelschuppen noch verallgemeinerbarer ist. Obwohl die Vielfalt der Nanostrukturen unter Schmetterlingen sehr groß ist, teilen alle Skalen die gleichen grundlegenden Wachstumsmechanismen

Wilts arbeitet derzeit an einer weiteren Studie, die mehrere Arten untersucht. Die Nanostrukturen könnten den Forschern auch mehr über andere Organismen und Strukturen wie Mitochondrien in Zellen erzählen, die ähnlich komplexe Muster aufweisen.

"Die vorgestellte Forschung kann nur indirekt auf Mechanismen auf zellulärer Ebene hinweisen, ich gehe jedoch davon aus, dass die zukünftige Arbeit inspiriert sein wird", sagt Wilts. "Das Lernen und Aufdecken der Prinzipien hinter diesen komplexen Faltungsmustern auf molekularer Ebene wird sehr wichtig sein."

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