Skrzydłami motyli w bezwzględnych fałszerzy

Wyjątkowość motyli już od dawna interesuje naukowców i skłania ich do poszukiwania odpowiedzi na pytania takie jak: W jaki sposób motyle potrafią tak niezwykle, wielobarwnie rozświetlić swe skrzydła?, Dlaczego natura obdarzyła je tak misternym pięknem?, czy: Jak to się dzieje, że tak wyraziste, niemożliwe do przeoczenia osobniki tak rzadko padają ofiarą drapieżników?

Dr Mathias Kolle pod kierunkiem prof. Ullricha Steinera i prof. Jeremiego Baumbergema z laboratorium Cavendisha na uniwersytecie Cambridge badali indonezyjskiego motyla z rodzaju paziów (Papilio) o łacińskiej nazwie Papilio blumei.

Powierzchnia skrzydeł motyli składa się milionów maleńkich łusek pokrytych cienką warstwą wosku, zapewniającą im wodoszczelność, uodparniając zarazem na wpływy czynników atmosferycznych. Skrzydła zbudowane są z wielu cieniutkich warstw oskórka (in. kutykula, kutikula) i powietrza, które sprawiają, że odbijają światło i mienią się wieloma kolorami.

Przy użyciu technik nanofabrykacji, nakładania atomowych warstw nanocząsteczek, naukowcy otrzymali całkowicie sztuczną konstrukcję, idealnie naśladującą budowę skrzydeł pazia, tak samo załamującą światło i mieniącą się określonymi barwami, w zależności od kąta padania promieni.

Rozwiązaliśmy jedną z tajemnic przyrody i poprzez połączenie naszego odkrycia ze współczesnym stanem rozwoju nanotechnologii możemy imitować złożone wzory optyczne odnalezione w naturze. Choć przyroda jest doskonalsza pod względem samoorganizacji, my mamy tę przewagę, że możemy wykorzystać szerszą paletę sztucznie stworzonych materiałów do optymalizacji stworzonych przez nas struktur optycznych - skomentował dr Kolle.

Odkrycie struktur tworzących ze światła obrazy na motylich skrzydłach jest intrygujące z wielu powodów. Technologów interesuje jednak głównie dokładniejsze zrozumienie fizyki tych zjawisk, które umożliwiłoby zastosowanie właściwości motylich skrzydeł w zabezpieczania banknotów czy innych wartościowych przedmiotów.

Podobne sztuczne struktury mogłyby zostać wykorzystane do szyfrowania informacji w podpisach optycznych na banknotach lub innych dokumentach celem ich zabezpieczenia przed fałszerstwem. System, którym dysponujemy, musimy stale doskonalić, by być o krok przed przestępcami. W przyszłości moglibyśmy podziwiać, jak struktury zainspirowane właściwościami skrzydłami motyli połyskują na banknotach lub w naszym paszporcie - dr Kolle opisuje niektóre z potencjalnych zastosowań opracowywanej technologii.

Naukowców interesowało też, dlaczego tak złożona metoda osiągnięcia efektów kolorystycznych rozwinęła się właśnie na skrzydłach motyli. Czemu natura nie sięgnęła po sprawdzone rozwiązanie oparte na pigmentach?

Okazuje się, że motyle również używają skrzydeł do maskowania. Czego? Siebie samych. Dzięki temu skrzydła pazia Papilio blumei nie dla każdego są zielone.

Jak tłumaczy dr Kolle: - Błyszcząco zielone obszary na skrzydłach tego tropikalnego motyla są dobitnym przykładem pomysłowości natury, jeśli chodzi o wzornictwo optyczne. Jeśli wykorzystamy odpowiedni sprzęt, miejsca te będą się nam jawić jako jasnobłękitne, jednak dla oka nieuzbrojonego wyglądają na zielone. Zmiana kolorów spowoduje, że to, co dla motyli jednego gatunku jest piękne i sexy, drapieżnikom może się wydawać mało smaczne.

Mechanizm ten stanowi genialne osiągnięcie ewolucji. Za sprawą złożoności struktury oczu i różnych sposobów widzenia zarówno motyli, jak i drapieżników, zaprzyjaźnione owady i potencjalni partnerzy widzą się w innych barwach niż postrzegający ich wrogowie. Czy - ściślej rzecz biorąc - nie widzą ich, bo motyle doskonale maskują się przed wzrokiem intruzów.

Przedstawiciele gatunku Papilio blumei rozpoznają się bez problemów nawet w gęstwinie roślin, ponieważ postrzegają się jako jasnobłękitne. Drapieżniki, którym mógłby przyjść do głowy atak na te owady, musiałyby je najpierw rozpoznać jako zielone plamy wśród tysiąca innych zielonych plam puszczy.

Szczegóły motylej tajemnicy naukowcy odkryli zaledwie kilka lat temu, dzięki odpowiednim narzędziom dostarczonym przez nanotechnologię. Dr Marco Giraldo z Uniwersytetu Groningen badał struktury powierzchni skrzydeł bielinków kapustników i innych motyli z rodziny bielinkowatych (Pieridae). Wybrał bielinkowate, gdyż ich ubarwienie jest "proste". Wyniki badań ukazały jednak zlożoność ich związków i działania.

Dr Giraldo wyjaśnił, jak efekt kolorystyczny skrzydeł bielinków powstaje dzięki nanostrukturom, wspieranym przez specyficzne pigmenty. Choć ułożenie przestrzenne struktury łusek zależy od gatunku, możemy tu wyróżnić kilka reguł.

Łuska składa się z dwóch warstw połączonych filarami. Struktura podpowierzchniowa jest praktycznie gładka, ale jej górną powierzchnię tworzy duża ilość przedłużonych równoległych żeber oddalonych od siebie o jeden do dwóch mikrometrów.

Kolor, jaki dostrzega oko obserwatora, jest efektem załamania światła w strukturze skrzydła i jego absorpcji przez obecny pigment. Pigment zawarty w skrzydłach bielinków pochłania na przykład światło ultrafioletowe oraz określone światło błękitne. Odbija natomiast i rozprasza równocześnie światło w długościach fal, które widzimy jako białe i żółte.

Konstrukcja skrzydeł bielinków zapewnia niezwykłą "wydajność" optyczną. Zwiększenie ilości warstw w obrębie łusek zwiększyłoby wprawdzie dodatkowo efektywność odbicia, jednak skrzydło stałoby się niewspółmiernie cięższe. Interesujące okazało się też porównanie budowy i pigmentacji skrzydeł różnych gatunków bielinków.

Naukowcy odkryli na przykład, że podczas wyszukiwania partnerek bielinki japońskie mają w odróżnieniu od bielinków europejskich korzystniejszą pozycję. Dlaczego?

Skrzydła samców i samic z Europy zawierają pigmentowe ziarna, które powodują absorpcję promieniowania ultrafioletowego. Podobnie jest w wypadku skrzydeł "panów" bielinków z Japonii, przy czym skrzydła samic z tego obszaru nie pochłaniają światła ultrafioletowego.

Dlaczego jest to korzystne? Bielinki postrzegają także światło ultrafioletowe, dzięki czemu męscy przedstawiciele japońskiego gatunku już z oddali widzą, czy mają się przygotować do zalotów, czy też mają do czynienie z motylem tej samej płci. Choć zagadka technologiczna została wyjaśniona, zawsze w takich wypadkach pojawiają się nowe pytania - na przykład dlaczego rozwinęła się taka różnica?

Anna Lato