蝴蝶翅膀鳞片中色素分布影响角质层质量密度的纳米尺度变化研究

研究人员通过同步辐射X射线叠层衍射断层扫描技术(PXCT)定量分析了蝴蝶翅膀鳞片中色素分布与角质层质量密度的三维关系。研究发现鳞片下层角质板密度与色素含量呈负相关，且低色素鳞片上层结构呈现片状几丁质而非杆状结构。该研究揭示了色素不仅吸收特定波长，还能影响角质聚合过程、密度和折射率，为理解生物结构色形成机制提供了新视角。

　　

在自然界中，蝴蝶翅膀绚丽的色彩一直是科学家关注的焦点。这些色彩主要来源于两种机制：色素产生的化学色和微观结构产生的结构色。然而，色素分布如何影响鳞片角质层的三维质量密度，以及这两者如何共同决定最终的结构色，始终是未解之谜。新加坡国立大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究，通过创新性的成像技术揭开了这一奥秘。

研究人员采用多学科交叉的研究方法，结合显微光谱技术、电子显微镜和同步辐射X射线叠层衍射断层扫描(Ptychographic X-ray computed tomography, PXCT)等技术，对两种蛱蝶科蝴蝶（Junonia orithya和Bicyclus anynana）的四种不同色素含量的鳞片进行了系统研究。样本来自新加坡科尼岛野外采集和实验室培育群体。

研究的关键技术突破在于PXCT的应用，该技术通过收集样品重叠扫描位置的相干衍射图案，实现了纳米级分辨率的三维质量密度定量测定。研究人员在钻石光源(Diamond Light Source)的I13-1相干光束线上，以9.7 keV光子能量获得了70×35×35 μm³大视野的三维电子密度图，空间分辨率达到66.5 nm。结合透射电镜(TEM)的亚纳米级分辨率和显微分光光度计的光学测量，构建了从纳米到微米尺度的多尺度分析体系。

研究结果部分，通过"鳞片中上下层色素分布相似"的小标题下，研究人员发现所有鳞片类型的上下层色素密度相似，但去除上层后反射率增加、吸光度降低。在"色素化与鳞片形态变化相关"部分，通过扫描电镜(SEM)和聚焦离子束电镜(FIB-SEM)测量，发现低色素的蓝色鳞片具有更大的"窗口"结构和更厚的下层角质板。

在"角质层质量密度在鳞片下层最高且与色素化负相关"部分，PXCT三维重建显示所有鳞片类型的下层角质板密度最高，且低色素鳞片的下层密度更高。通过计算旋转和分割PXCT体积，研究人员将鳞片上层进一步聚类为横肋、脊线和柱状结构，发现B. anynana黄色突变体鳞片的横肋和柱状结构密度高于野生型，而J. orithya的雌性鳞片则呈现相反趋势。

"下层角质板组成变化有助于模拟蓝色结构色"部分，通过高分辨TEM观察到下层角质板的多层结构，建立的四层光学模型比均质几丁质模型更准确地预测了实验反射光谱。研究发现下层角质板的顶层和底层折射率接近黑色素，中间层接近几丁质，证实了组成异质性对结构色的关键影响。

研究结论指出，色素分子可能在鳞片发育晚期调节几丁质聚合过程，导致杆状或片状结构的形成。通过PXCT局部倾斜测量与光学显微镜图像的关联分析，发现上层结构具有色彩均质化作用。该研究不仅揭示了色素影响结构色的新机制，还展示了PXCT在生物材料纳米级成分表征中的强大能力，为仿生结构色材料设计提供了新思路。

这项研究的创新性在于首次实现了完整鳞片三维质量密度的纳米级定量测绘，建立了色素分布-角质密度-光学性能的关联模型。研究提出的色素调控几丁质聚合假说，为理解生物材料的多功能化提供了新视角。未来，结合更高分辨率的PXCT和原子力显微镜(AFM)等技术，有望进一步揭示生物材料光学和力学性能的多样性基础。