Tässä on, miten kärpänen levittää siipensä 🪰

Tutkijat ovat analysoineet mekanismia, jonka avulla perhonen avaa siipensä muutamassa minuutissa kuoriuduttuaan. Kuvantamistekniikoiden, mekaanisten mittausten ja mallintamisen avulla he ovat tuoneet esiin prosessin, joka yhdistää rakenteen avautumisen ja solukudoksen venymisen. Nämä tulokset, jotka ovat peräisin useiden laboratorioiden yhteistyöstä, on julkaistu lehdessä Nature Communications.


Kun perhonen avaa ensimmäistä kertaa siipensä, se avaa origami-rakenteen jäykäksi ja toimivaksi pinnaksi. Tämän vaikuttavan muodonmuutoksen taustalla oleva mekanismi on edelleen suurelta osin tuntematon, eikä mikään fyysinen malli ole kyennyt selittämään sitä.

Aix-Marseille-yliopiston/CNRS:n teollisten lämpöjärjestelmien instituutin (IUSTI), Marseille'n kehitysbiologian instituutin (IBDM, Aix-Marseille-yliopisto/CNRS) ja epätasapainotilojen tutkimusinstituutin (IRPHE, Aix-Marseille-yliopisto/Centrale Marseille/CNRS) tutkijat ovat suorittaneet tämän muunnoksen mekaanisen analyysin ja rakentaneet mallin, joka osoittaa, että hyönteinen käyttää siipiensä avaamiseen tiettyä toimintapistettä.

Havainnoidakseen hyönteisen siipien avautumista, tiimi työskenteli hedelmäkärpäsen kanssa, joka on pieni kärpänen, jota on laajasti tutkittu kehitysbiologiassa. Binokulaarimikroskoopin avulla ensin kuvattiin makroskooppinen prosessi: molemmat siivet muuntuvat samanaikaisesti, siirtyen kymmenessä minuutissa kolmiulotteisesta taitetusta rakenteesta tasaiseksi avautuneeksi pinnaksi.

Etusiiven sisäinen rakenne ennen avautumista tuodaan esiin röntgenkuvaustekniikalla, mikro-CT:llä, joka mahdollistaa sen kolmiulotteisen rakenteen rekonstruoinnin: siipi koostuu kahdesta 6,5 µm paksusta levystä, jotka on yhdistetty 7,5 µm korkeilla pylväillä, ja siinä kulkee suonia. Vielä hienommalla tasolla elektronimikroskopia paljastaa, että jokainen levy sisältää yhden solun paksuisen kerroksen, joka on peitetty alun perin rypistyneellä jäykällä kerroksella. Siiven avautuessa solut venyvät samalla kun rypistynyt kerros avautuu ilman pituuden kasvua, siten määrittäen lopullisen rakenteen koon.


Verisuonten paineen vaihteluita mitattiin siiven avautumisen aikana: juuri tämän paineen nopea nousu aiheuttaa avautumisen hydrauliikan avulla, aivan kuten ilmapatjassa, jossa paine ohjaa kahden pylvään yhdistämien levyjen laajentumista. Siiven mekaanisia ominaisuuksia (kestävyys, viskoelastiset ominaisuudet) on myös mitattu.

Fyysinen malli, joka perustuu siiven rakenteeseen ja sen mekaanisiin ominaisuuksiin, on mahdollistanut numeeristen simulaatioiden toteuttamisen avautumisprosessista verenkierron paineen vaikutuksesta. Ne ovat paljastaneet, että kärpänen käyttää toimintapistettä, joka mahdollistaa suuren laajenemisen suhteellisen vähäisellä paineen muutoksella, siiven geometrian ja materiaalin mekaanisten ominaisuuksien ansiosta.

Kuitenkin prosessin tietyt näkökohdat jäävät selvittämättä, kuten sen palautumattomuus (avattuna siipi ei taivu takaisin) tai siiven tasaisuus. Yleisemmin, onko kuvattu mekanismi sovellettavissa muihin hyönteisiin?

Lisäksi, biologian ulkopuolella, nämä tutkimukset rikastuttavat ymmärrystä pehmeiden rakenteiden mekaniikasta, jotka pystyvät muuttamaan muotoaan. Ne avaavat uusia näkymiä sovelluksille, jotka liittyvät avattaviin rakenteisiin tai joustavaan robotiikkaan.

Viitteet:
Drosophilan siiven avautumisen mekaniikka.
Simon Hadjaje, Ignacio Andrade-Silva, Marie-Julie Dalbe, Raphaël Clément, Joël Marthelot.
Nature Communications, 11. joulukuuta 2024.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54527-0
Artikkeli saatavilla avoimen arkistotietokannan HAL kautta.