Farfalle e bolle di sapone: stesso meccanismo di iridescenza

Un nuovo studio ci dà una spiegazione sui colori iridescenti delle ali delle farfalle e di quanto siano simili all’iridescenza delle bolle di sapone.

Queste scoperte sono un punto di partenza per nuovi approcci genetici per studiare in che modo le farfalle producono nanostrutture intricate con proprietà ottiche, che potrebbero aiutare gli ingegneri a sviluppare nuovi modi per produrre nanostrutture fotoniche per pannelli solari o colori iridescenti per vernici, abbigliamento e cosmetici.

Ve ne abbiamo già parlato anche qui.

Edith Smith nella sua fattoria delle farfalle in Florida ha ottenuto una colonia di Junonia coenia più blu e brillante, e Rachel Thayer dell’Università della California, Berkeley ha studiato i cambiamenti fisici e genetici alla base dell’iridescenza appena acquisita della farfalla.

Nel processo, Thayer ha scoperto quanto sia relativamente facile per le farfalle cambiare il colore delle ali nel giro di poche generazioni e ha scoperto che il primo gene che ha dimostrato di influenzare il cosiddetto “colore strutturale” che sta alla base della tonalità iridescente viola, blu, verde e dorata di molte farfalle.

Il colore strutturale è diverso dal colore del pigmento, come quello nella pelle o su una tela, che assorbe o riflette diversi colori della luce.

Deriva dall’interazione della luce con un materiale solido allo stesso modo in cui una bolla trasparente sviluppa una lucentezza colorata.

La luce penetra e rimbalza indietro, interferendo con la luce riflessa dalla superficie in un modo che cancella tutti i colori tranne uno.

Alla Shady Oak Butterfly Farm di Brooker, in Florida, gli esperimenti di allevamento di Smith con la Junonia coenia, una farfalla per lo più marrone con punti appariscenti e colorati, erano ideali per lo studio del colore strutturale di Thayer.

Gli allevatori hanno notato che a volte queste farfalle hanno solo alcune squame blu nella parte anteriore dell’ala e hanno iniziato ad allevare gli animali blu insieme.

Quindi, effettivamente, si stava facendo un esperimento di selezione artificiale, guidato dalla sua stessa curiosità e intuizione su ciò che sarebbe stato cromaticamente interessante

ha detto Thayer, che è nel Dipartimento di Biologia Integrativa della UC Berkeley.

In questo articolo pubblicato sulla rivista eLife, Thayer e Nipam Patel, un professore di biologia molecolare e cellulare della UC Berkeley, descrivono i cambiamenti fisici nelle scaglie delle ali di farfalla associate con l’esperimento di Smith sulla Junonia coenia e riportano un regolatore genetico dell’iridescenza blu.

Ho adorato in particolare il chiaro contesto evolutivo: essere in grado di confrontare direttamente il” prima “e il” dopo “e mettere insieme l’intera storia”.

Sappiamo che il blu in J. coenia è un cambiamento recente, sappiamo esplicitamente quale sia stata la forza della selezione, conosciamo il periodo del cambiamento. Ciò non accade ogni giorno per i biologi evoluzionisti.

ha detto Thayer.

Secondo Thayer, centinaia di farfalle sono state studiate a causa del vistoso colore strutturale delle loro squame alari.

Il più evidente è il Morpho blu, con ali da 5 pollici di blu iridescente bordate di nero. Il suo studio, tuttavia, si è concentrato su un genere meno appariscente, Junonia, e ha scoperto che il colore iridescente è comune in tutte le 10 specie, anche quelle scialbe.

Una insignificante farfalla grigio chiaro, la Pansé J. atlites, ha dimostrato al microscopio di avere scaglie iridescenti color arcobaleno i cui colori si fondono insieme in grigio se visti ad occhio nudo.

Una delle lezioni principali dello studio è che la maggior parte dei motivi delle ali delle farfalle probabilmente hanno un mix di colore del pigmento e colore strutturale, e il maggiore impatto sul colore dell’ala dipende da quanto pigmento c’è.

Thayer ha allevato sia la Junonia coenia brunastra che la varietà incrociata e più blu ottenuta da Smith.

Usando un microscopio agli ioni di elio, ha analizzato le squame dalle ali per vedere quali strutture delle scaglie sono responsabili del colore e per determinare se il cambiamento di colore era dovuto a un cambiamento nel colore strutturale o solo a una perdita di pigmento marrone che ha permesso al colore blu di risaltare.

Non ha trovato alcuna differenza nella quantità di pigmento marrone sulle scaglie, ma una differenza significativa nello spessore della chitina, il forte polimero da cui è costruita la scaglia e che genera anche il colore strutturale.

Nella Junonia coenia brunastra, lo spessore dello strato di chitina era di circa 100 nanometri, dando una tonalità dorata che si fondeva con il pigmento marrone.

La varietà di Junonia coenia più blu aveva la chitina di circa 190 nanometri di spessore, circa lo spessore di una bolla di sapone, che produceva un’iridescenza blu che sovrastava il pigmento marrone.

In realtà stanno creando il colore nello stesso modo in cui funziona l’iridescenza nelle bolle di sapone; è lo stesso fenomeno fisico

ha detto Thayer.

Un’altra scoperta di questa ricerca è che, sebbene le squame delle farfalle Junonia abbiano un’elaborata struttura microscopica, il colore strutturale proviene dal fondo o dalla base della scaglia.

Questo non è intuitivo, perché la parte superiore della scaglia ha tutte queste curve e scanalature e dettagli che catturano davvero la tua attenzione, e i colori strutturali più famosi sono strutture elaborate, spesso nella parte superiore della scala.

Ma il semplice strato piatto nella parte inferiore della scala controlla la colorazione strutturale in ogni specie che abbiamo controllato

ha detto Thayer.

Il colore si riduce a un cambiamento relativamente semplice nella scala: lo spessore della lamina.

Riteniamo che questo sarà un sistema geneticamente trattabile che ci consentirà di identificare i geni e i meccanismi di sviluppo in grado di controllare la colorazione strutturale

ha detto Patel.

Thayer ha anche studiato le squame di Junonia coenia mutanti create dai ricercatori della Cornell University che mancavano di un gene chiave, chiamato Optix, che controlla il colore.

Le immagini al microscopio hanno dimostrato che la mancanza del gene ha anche aumentato lo spessore del film sottile di chitina nelle squame, creando un colore blu. Optix è un gene regolatore che controlla molti altri geni delle farfalle, che Thayer esaminerà in seguito.

Una cosa che ritenevo interessante delle nostre scoperte era vedere che lo stesso meccanismo che si è ripresentato in milioni di anni di evoluzione delle farfalle potrebbe essere riprodotto molto rapidamente nell’esperimento della sezione artificiale di Smith.

Ciò afferma che il colore che si evolve con i cambiamenti nello spessore della lamina è un fenomeno ripetibile e importante

Qui la ricerca completa:

• Structural color in Junonia butterflies evolves by tuning scale lamina thickness (elifesciences.org)