肥皂泡和蝴蝶有什么共同點(diǎn)？

伊迪絲史密斯在佛羅里達(dá)州的蝴蝶花園里養(yǎng)了一棵藍(lán)色且更亮的七葉樹，但加州大學(xué)伯克利分校的研究生雷切爾泰爾解釋了新獲得的彩虹色蝴蝶的物理和基因變化。

在這個(gè)過程中，Saye Tayer發(fā)現(xiàn)蝴蝶在幾代之內(nèi)相對容易改變翅膀的顏色，并發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)被證明影響所謂“結(jié)構(gòu)色”的基因，這是紫色、藍(lán)色、綠色和金色等彩虹色以及許多蝴蝶色調(diào)的基礎(chǔ)。

她的發(fā)現(xiàn)為研究蝴蝶如何產(chǎn)生具有光學(xué)特性的復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的新遺傳方法提供了一個(gè)起點(diǎn)，最終可以幫助工程師開發(fā)新的方法來生產(chǎn)用于太陽能電池板的光子納米結(jié)構(gòu)或用于油漆、服裝和化妝品的彩虹色。

顏色結(jié)構(gòu)不同于顏料顏色，比如你皮膚或畫布上的顏色，它吸收或反射不同顏色的光。相反，它來自光和固體物質(zhì)的相互作用，就像透明的氣泡產(chǎn)生多彩的光澤一樣。光線穿透并反射回來，從而干擾從表面反射的光線，從而抵消一種顏色。

在佛羅里達(dá)州布魯克的黑幕橡樹蝴蝶農(nóng)場，史密斯進(jìn)行了一項(xiàng)普通馬栗的繁殖實(shí)驗(yàn)。這種馬栗主要是一種褐色的蝴蝶，身上有鮮艷的彩色斑點(diǎn)，在美國各地都有發(fā)現(xiàn)，通常是蝴蝶農(nóng)為了蝴蝶園或婚禮而飼養(yǎng)的。儀式——泰爾研究結(jié)構(gòu)色彩的理想選擇。

加州大學(xué)伯克利分校綜合生物系的Saye說：“伊迪絲注意到，有時(shí)這些蝴蝶的前爪前只有幾片藍(lán)色的鱗片，于是開始一起繁殖藍(lán)色的動(dòng)物?！薄耙虼?，她有效地利用自己的好奇心和直覺進(jìn)行了人工選擇實(shí)驗(yàn)，以理解有趣的事情?！?

在今天在線發(fā)表在《eLife》雜志上的一篇論文中，Tyer和加州大學(xué)伯克利分校的分子和細(xì)胞生物學(xué)教授NipamPatel正在度假。他是馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋生物實(shí)驗(yàn)室的主任。他描述了翅膀鱗片的相關(guān)物理變化，報(bào)告了藍(lán)色彩虹色的遺傳調(diào)節(jié)因子，以及史密斯在普通馬栗樹上的實(shí)驗(yàn)。

泰爾說：“我特別喜歡清晰的進(jìn)化背景：我可以直接比較‘之前’和‘之后’，把整個(gè)故事放在一起?！薄拔覀冎烂廊私兜陌l(fā)藍(lán)是最近的變化。我們清楚地知道選擇的力量是什么，我們知道變革的時(shí)間框架。進(jìn)化生物學(xué)家不是每天都這樣?！?

色彩產(chǎn)生絢麗的蝴蝶。

泰爾認(rèn)為，由于翼展明亮的結(jié)構(gòu)，數(shù)百只蝴蝶被研究過。最華麗的是藍(lán)色的蝴蝶，有5英寸彩虹色的藍(lán)色翅膀和黑色的邊緣。然而，她的研究集中在不太艷麗的朱諾尼亞屬，發(fā)現(xiàn)彩虹色在10個(gè)物種中很常見，甚至是單調(diào)的物種。在顯微鏡下，證明了一個(gè)不起眼的淺灰色蝴蝶堇(J. atlites)有彩虹色的鱗片，當(dāng)用肉眼觀察時(shí)，它的顏色混合成灰色。

她說，這項(xiàng)研究的主要教訓(xùn)之一是：“大多數(shù)蝴蝶圖案可能混合了色素顏色和結(jié)構(gòu)顏色，而其中哪一種對翅膀顏色的影響最大，取決于色素含量。”

塞爾飼養(yǎng)野生棕色七葉樹和從史密斯獲得的雜交藍(lán)種。她用最先進(jìn)的氦離子顯微鏡，從機(jī)翼上對鱗片進(jìn)行成像，看到造成顏色的鱗片結(jié)構(gòu)，確定顏色的變化是由于結(jié)構(gòu)顏色的變化，還是僅僅是結(jié)構(gòu)顏色中棕色色素的流失，使藍(lán)色脫穎而出。

她發(fā)現(xiàn)鱗片上棕色素的含量沒有差異，但甲殼素的厚度有顯著差異，甲殼素是一種形成鱗片的固體聚合物，也產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。在野生馬栗中，幾丁質(zhì)層的厚度約為100 nm，產(chǎn)生的金黃色混合有棕色色素。藍(lán)馬栗的甲殼素約190 nm厚——約為肥皂泡的厚度——藍(lán)色的虹彩比棕色的顏料更好。

泰爾說：“實(shí)際上，他們根據(jù)肥皂泡彩虹色的工作方式創(chuàng)造顏色；其實(shí)，這也是同樣的現(xiàn)象?！?

她還發(fā)現(xiàn)，朱諾尼亞蝴蝶的鱗片雖然有精細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)色來自鱗片底部或底部。

她說，“這并不直觀，因?yàn)槌拥捻敳看_實(shí)有所有這些曲線、凹槽和細(xì)節(jié)，最引人注目的結(jié)構(gòu)顏色是精細(xì)的結(jié)構(gòu)，通常在秤的頂部?！?。“但刻度底部的簡單平面層控制著我們檢查的每個(gè)物種的結(jié)構(gòu)顏色。”

帕特爾說：“顏色歸結(jié)為一個(gè)相對簡單的尺度變化：薄片的厚度?！薄拔覀兿嘈牛@將是一個(gè)基因可控的系統(tǒng)，這將使我們能夠識(shí)別能夠控制結(jié)構(gòu)著色的基因和發(fā)育機(jī)制。”

泰爾還研究了康奈爾大學(xué)研究人員創(chuàng)造的變異馬栗的鱗片，它缺乏控制顏色的關(guān)鍵基因——optix。顯微照片顯示，基因的缺失也增加了甲殼素殼聚糖膜的厚度，導(dǎo)致顏色發(fā)藍(lán)。Optix是一種調(diào)節(jié)基因，控制著許多其他蝴蝶基因。泰爾接下來會(huì)研究它。

她說

;我認(rèn)為對我們的發(fā)現(xiàn)很酷的一件事是，看到了在數(shù)百萬年的蝴蝶進(jìn)化過程中反復(fù)出現(xiàn)的相同機(jī)制，可以在(Smith's)人工切片實(shí)驗(yàn)中真正迅速地復(fù)制出來。”“那就是說，隨著層板厚度的變化而產(chǎn)生的顏色是一種可重復(fù)的重要現(xiàn)象。”

加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系的研究科學(xué)家Frances Allen也是該論文的合著者。這項(xiàng)工作得到了美國國家科學(xué)基金會(huì)(DEB-1601815，DGE-1106400)的支持。