¿Qué sucede en los primeros momentos de formación de escamas de las mariposas?

Table of Contents

El ala de una mariposa está cubierta de cientos de miles de escamas diminutas como tejas en miniatura en un techo delgado como el papel. Una sola escama es tan pequeña como una mota de polvo, pero sorprendentemente compleja, con una superficie corrugada de crestas que ayudan a absorber el agua, controlar el calor y reflejar la luz para darle a una mariposa su brillo característico.

Una micrografía óptica muestra las escamas en las alas de una mariposa Painted Lady adulta. Barra de escala de 1 mm. Crédito de la imagen: Wilts, Kolle et al.

En su artículo en MIT News, Jennifer Chu, indicó que los investigadores del MIT captaron los momentos iniciales durante la metamorfosis de una mariposa, a medida que una escama individual comienza a desarrollar un patrón estriado. Los investigadores utilizaron técnicas avanzadas de imagen para observar las características microscópicas de un ala en desarrollo, mientras la mariposa se transformaba en su crisálida.

El equipo tomó imágenes continuas de las escamas individuales a medida que crecían fuera de la membrana del ala. Estas imágenes revelan por primera vez cómo la superficie inicialmente lisa de una escama comienza a arrugarse para formar ondulaciones microscópicas y paralelas. Las estructuras onduladas eventualmente crecen en crestas finamente modeladas, que definen las funciones de una escama adulta.

Una mariposa Vanessa cardui libando en una flor de Caléndula. Crédito de la imagen: Ricardo Daniel González

Los investigadores encontraron que la transición de la escala a una superficie corrugada es probablemente el resultado del “pandeo”, un mecanismo general que describe cómo una superficie lisa se arruga a medida que crece dentro de un espacio confinado.

“El pandeo es una inestabilidad, algo que normalmente no queremos que suceda como ingenieros”, dice Mathias Kolle, profesor asociado de Ingeniería Mecánica en el MIT. “Pero en este contexto, el organismo utiliza el pandeo para iniciar el crecimiento de estas estructuras intrincadas y funcionales”.

El equipo está trabajando para visualizar más etapas del crecimiento de las alas de mariposa con la esperanza de revelar pistas sobre cómo podrían diseñar materiales funcionales avanzados en el futuro.

En la imagen vemos el área observada de las escamas, el tiempo de desarrollo en la crisálida relacionado con la escala de pandeo celular de la escama. Crédito de la imagen: Wilts, Kolle et al.

“Dada la multifuncionalidad de las escamas de mariposa, esperamos comprender y emular estos procesos, con el objetivo de diseñar y fabricar de forma sostenible nuevos materiales funcionales. Estos materiales exhibirían propiedades ópticas, térmicas, químicas y mecánicas personalizadas para textiles, superficies de construcción, vehículos, en realidad, para cualquier superficie que necesite exhibir características que dependan de su estructura a micro y nanoescala”, agregó Kolle.

El equipo publicó sus resultados en un estudio en la revista Cell Reports Physical Science. Los coautores del estudio incluyen al primer autor y ex postdoctorado del MIT Jan Totz, el primer autor conjunto y postdoctorado Anthony McDougal, la estudiante de posgrado Leonie Wagner, el ex postdoctorado Sungsam Kang, el profesor de ingeniería mecánica e ingeniería biomédica Peter So, el profesor de matemáticas Jörn Dunkel y el profesor de física y química de materiales Bodo Wilts de la Universidad de Salzburgo.

Una transformación viva
#

En 2021, McDougal, Kolle y sus colegas desarrollaron un enfoque para capturar continuamente detalles microscópicos del crecimiento de las alas en una mariposa durante su metamorfosis. Su método consistía en cortar cuidadosamente la crisálida delgada como el papel del insecto y pelar un pequeño cuadrado de cutícula para revelar la membrana creciente del ala. Colocaron un pequeño portaobjetos de vidrio sobre el área expuesta, luego utilizaron una técnica de microscopio desarrollada por Peter So para capturar imágenes continuas de las escamas a medida que crecían fuera de la membrana del ala.

Aplicaron el método para observar a Vanessa cardui, una mariposa comúnmente conocida como Dama Pintada, que el equipo eligió por su arquitectura de escala, que es común a la mayoría de las especies de lepidópteros. Observaron que las escamas de la Dama Pintada crecían a lo largo de la membrana de un ala en filas precisas y superpuestas, como tejas en un tejado. Esas imágenes proporcionaron a los científicos la visualización más continua del crecimiento de las escamas de las alas de las mariposas vivas a microescala hasta la fecha.

Serie de imágenes de la mariposa Vanessa cardui

La serie muestra la mariposa Dama Pintada (Vanessa cardui); una micrografía óptica de sus escamas; micrografías electrónicas de una sola escala; y las crestas en esa escala. Barras de escala de 200 μm, 20 μm y 2 μm. Crédito de la imagen: Wilts, Kolle et al.

En su nuevo estudio, el equipo utilizó el mismo enfoque para centrarse en una ventana de tiempo específica durante el desarrollo de la escala, para capturar la formación inicial de las crestas finamente estructuradas que corren a lo largo de una sola escala en una mariposa viva. Los científicos saben que estas crestas, que corren paralelas entre sí a lo largo de una sola escama, como rayas en un parche de pana, permiten muchas de las funciones de las escamas de las alas.

Dado que se sabe poco sobre cómo se forman estas crestas, el equipo del MIT se propuso registrar la formación continua de crestas en una mariposa viva y en desarrollo, y descifrar los mecanismos de formación de crestas del organismo.

“Observamos el desarrollo del ala durante 10 días y obtuvimos miles de mediciones de cómo cambiaban las superficies de las escamas en una sola mariposa”, dijo McDougal. “Pudimos ver que desde el principio, la superficie es bastante plana. A medida que la mariposa crece, la superficie comienza a aparecer un poco, y luego, alrededor del 41 por ciento del desarrollo, vemos este patrón muy regular de protocrestas completamente reventadas. Todo este proceso ocurre durante unas cinco horas y sienta las bases estructurales para la posterior expresión de crestas estampadas”.

Inmovilizadas, ordenadas y precisas
#

¿Qué podría causar que las crestas iniciales aparezcan en una alineación precisa? Los investigadores sospechaban que el pandeo podría estar en juego. El pandeo es un proceso mecánico por el cual un material se arquea sobre sí mismo al ser sometido a fuerzas de compresión. Por ejemplo, una lata de refresco vacía se dobla cuando se aprieta desde arriba hacia abajo. Un material también puede doblarse a medida que crece, si está restringido o clavado en su lugar.

Los científicos han observado que, a medida que la membrana celular de la escama de una mariposa crece, está efectivamente sujeta en ciertos lugares por haces de actina, filamentos largos que corren debajo de la membrana en crecimiento y actúan como un andamio para sostener la escama a medida que toma forma. Los científicos han planteado la hipótesis de que los haces de actina restringen una membrana en crecimiento, similar a las cuerdas alrededor de un globo aerostático que se infla. A medida que la escama del ala de la mariposa crece, propusieron que sobresaldría entre los filamentos de actina subyacentes, pandeándose de una manera que forma las crestas paralelas iniciales de una escama.

Para probar esta idea, el equipo del MIT se basó en un modelo teórico que describe la mecánica general del pandeo. Incorporaron datos de imágenes en el modelo, como mediciones de la altura de una membrana de escamas en varias etapas tempranas de desarrollo y varios espaciamientos de haces de actina a través de una membrana en crecimiento. A continuación, ejecutaron el modelo hacia adelante en el tiempo para ver si sus principios subyacentes de pandeo mecánico producirían los mismos patrones de cresta que el equipo observó en la mariposa real.

“Con este modelo, demostramos que podíamos pasar de una superficie plana a una superficie más ondulada”, señaló Kolle. “En términos mecánicos, esto indica que el pandeo de la membrana es muy probablemente lo que está iniciando la formación de estas crestas asombrosamente ordenadas”.

“Queremos aprender de la naturaleza, no solo cómo funcionan estos materiales, sino también cómo se forman”, expresó McDougal. “Si quieres, por ejemplo, hacer una superficie arrugada, lo cual es útil para una variedad de aplicaciones, esto te da dos perillas realmente fáciles de ajustar, para adaptar cómo se arrugan esas superficies. Puede cambiar el espaciado de dónde se fija ese material o puede cambiar la cantidad de material que crece entre las secciones fijadas. Y vimos que la mariposa está usando ambas estrategias”.

Dama pintada

La investigación fue apoyada, en parte, por la International Human Frontier Science Program Organization, la National Science Foundation, la Humboldt Foundation, y la Alfred P. Sloan Foundation.

Importante
#

El artículo Cell membrane buckling governs early-stage ridge formation in butterfly wing scales fue publicado en Cell Reports Physical Science. Sus autores son: Jan F. Totz; Anthony D. McDougal; Leonie Wagner; Sungsam Kang; Peter T.C. So; Jörn Dunkel; Bodo D. Wilts & Mathias Kolle.