O que acontece durante os primeiros momentos da formação das escamas da borboleta

Novas descobertas podem ajudar os engenheiros a projetar materiais para gerenciamento de luz e calor.

A asa de uma borboleta é coberta por centenas de milhares de pequenas escamas, como telhas em miniatura em um telhado fino como papel. Uma única escama é tão pequena quanto uma partícula de poeira, mas surpreendentemente complexa, com uma superfície ondulada de cristas que ajudam a dissipar a água, controlar o calor e refletir a luz para dar à borboleta seu brilho característico.

Pesquisadores do MIT agora capturaram os momentos iniciais durante a metamorfose de uma borboleta, quando uma escama individual começa a desenvolver esse padrão estriado. Os pesquisadores usaram técnicas avançadas de imagem para observar as características microscópicas em uma asa em desenvolvimento, enquanto a borboleta se transformava em sua crisálida.

A equipe continuamente fotografou escamas individuais conforme elas cresciam para fora da membrana da asa. Essas imagens revelam pela primeira vez como a superfície inicialmente lisa de uma escama começa a enrugar para formar ondulações microscópicas e paralelas. As estruturas onduladas eventualmente crescem em cristas finamente padronizadas, que definem as funções de uma escama adulta.

Os pesquisadores descobriram que a transição da escala para uma superfície ondulada é provavelmente resultado de “deformação” – um mecanismo geral que descreve como uma superfície lisa se enruga à medida que cresce dentro de um espaço confinado.

“A flambagem é uma instabilidade, algo que normalmente não queremos que aconteça como engenheiros”, diz Mathias Kolle, professor associado de engenharia mecânica no MIT. “Mas neste contexto, o organismo usa a flambagem para iniciar o crescimento destas estruturas intrincadas e funcionais.”

A equipe está trabalhando para visualizar mais estágios de crescimento das asas das borboletas, na esperança de revelar pistas sobre como poderão projetar materiais funcionais avançados no futuro.

“Dada a multifuncionalidade das escamas de borboleta, esperamos compreender e emular esses processos, com o objetivo de projetar e fabricar de forma sustentável novos materiais funcionais. Esses materiais exibiriam propriedades ópticas, térmicas, químicas e mecânicas personalizadas para têxteis, superfícies de construção, veículos – na verdade, para qualquer superfície que precise exibir características que dependem de sua estrutura em micro e nanoescala”, acrescenta Kolle.

A equipe publicou seus resultados em um estudo publicado hoje na revista Cell Reports Ciências Físicas. Os coautores do estudo incluem o primeiro autor e ex-pós-doutorado do MIT Jan Totz, o primeiro autor conjunto e pós-doutorado Anthony McDougal, a estudante de graduação Leonie Wagner, o ex-pós-doutorado Sungsam Kang, o professor de engenharia mecânica e engenharia biomédica Peter So, o professor de matemática Jörn Dunkel e o professor de física e química de materiais Bodo Wilts da Universidade de Salzburgo.

Uma transformação viva

Em 2021, McDougal, Kolle e seus colegas desenvolveram uma abordagem para capturar continuamente detalhes microscópicos do crescimento das asas de uma borboleta durante sua metamorfose. O método deles envolvia cortar cuidadosamente a crisálida fina como papel do inseto e retirar um pequeno quadrado da cutícula para revelar a membrana crescente da asa. Eles colocaram uma pequena lâmina de vidro sobre a área exposta e, em seguida, usaram uma técnica de microscópio desenvolvida pelo membro da equipe Peter So para capturar imagens contínuas de escamas à medida que cresciam na membrana da asa.

Eles aplicaram o método para observar Vanessa Cardui, uma borboleta comumente conhecida como Senhora Pintada, que a equipe escolheu por sua arquitetura em escala, comum à maioria das espécies de lepidópteros. Eles observaram que as escamas da Painted Lady cresciam ao longo da membrana da asa em fileiras precisas e sobrepostas, como telhas de um telhado. Essas imagens forneceram aos cientistas a visualização mais contínua do crescimento de escamas de asas de borboletas vivas em microescala até o momento.

No seu novo estudo, a equipa utilizou a mesma abordagem para se concentrar numa janela de tempo específica durante o desenvolvimento da escala, para capturar a formação inicial das cristas finamente estruturadas que correm ao longo de uma única escala numa borboleta viva. Os cientistas sabem que estas cristas, que correm paralelamente umas às outras ao longo de uma única escama, como riscas num pedaço de veludo cotelê, permitem muitas das funções das escamas das asas.

Como pouco se sabe sobre como essas cristas são formadas, a equipe do MIT teve como objetivo registrar a formação contínua de cristas em uma borboleta viva em desenvolvimento e decifrar os mecanismos de formação de cristas do organismo.

“Observamos a asa se desenvolver ao longo de 10 dias e obtivemos milhares de medições de como as superfícies das escamas mudaram em uma única borboleta”, diz McDougal. “Podemos ver que, no início, a superfície é bem plana. Conforme a borboleta cresce, a superfície começa a aparecer um pouco e, então, em torno de 41% do desenvolvimento, vemos esse padrão muito regular de protocristas completamente estouradas. Todo esse processo acontece ao longo de cerca de cinco horas e estabelece a base estrutural para a expressão subsequente de cristas padronizadas.”

Preso

O que pode estar fazendo com que as cristas iniciais apareçam em alinhamento preciso? Os pesquisadores suspeitaram que a flambagem poderia estar em jogo. A flambagem é um processo mecânico pelo qual um material se curva sobre si mesmo ao ser submetido a forças de compressão. Por exemplo, uma lata de refrigerante vazia entorta quando espremida de cima para baixo. Um material também pode entortar à medida que cresce, se for restringido ou preso no lugar.

Cientistas notaram que, conforme a membrana celular da escama de uma borboleta cresce, ela é efetivamente fixada em certos lugares por feixes de actina – longos filamentos que correm sob a membrana em crescimento e agem como um andaime para sustentar a escama conforme ela toma forma. Cientistas levantaram a hipótese de que os feixes de actina restringem uma membrana em crescimento, semelhante a cordas ao redor de um balão de ar quente inflando. Conforme a escama da asa da borboleta cresce, eles propuseram, ela se projetaria entre os filamentos de actina subjacentes, dobrando-se de uma forma que forma as cristas iniciais e paralelas de uma escama.

Para testar essa ideia, a equipe do MIT olhou para um modelo teórico que descreve a mecânica geral da flambagem. Eles incorporaram dados de imagem ao modelo, como medições da altura de uma membrana de escama em vários estágios iniciais de desenvolvimento e vários espaçamentos de feixes de actina em uma membrana em crescimento. Eles então executaram o modelo para frente no tempo para ver se seus princípios subjacentes de flambagem mecânica produziriam os mesmos padrões de crista que a equipe observou na borboleta real.

“Com essa modelagem, mostramos que poderíamos ir de uma superfície plana para uma superfície mais ondulada”, diz Kolle. “Em termos de mecânica, isso indica que a flambagem da membrana é muito provavelmente o que está iniciando a formação dessas cristas incrivelmente ordenadas.”

“Queremos aprender com a natureza não apenas como esses materiais funcionam, mas também como são formados”, diz McDougal. “Se você quiser, por exemplo, fazer uma superfície enrugada, o que é útil para uma variedade de aplicações, isso oferece dois botões realmente fáceis de ajustar, para personalizar como essas superfícies são enrugadas. Você pode alterar o espaçamento de onde esse material está fixada, ou você pode alterar a quantidade de material que cresce entre as seções fixadas. E vimos que a borboleta está usando essas duas estratégias.”