2020-02-11-1小刘科研笔记之实例:扫描电镜下的蝴蝶世界

2020-02-11-1小刘科研笔记之实例:扫描电镜下的蝴蝶世界,第1张

1. 邱兆美.蝴蝶鳞片微观结构与模型分析[J].农业机械学报,2009;

2. 关会英.典型蝴蝶鳞片结构色形成机理及其微观结构研究[D].吉林大学,2007

首先,我们准备好样本一只绿带凤蝶,一只尖钩粉蝶。以绿带翠凤蝶为例,它的翅膀上主要分布了黄绿色,绿色,紫色、蓝色以及暗棕色。选取其后翅和翅尾部分在光学显微镜下观察,可以看到蝴蝶翅膀上有一层层的覆盖物,这些覆盖物呈片状分布,且像房顶瓦片一样排列有序,在光学显微镜下有的呈现出鲜艳的紫色、蓝色,有的呈暗棕色,如图一所示,而这一层层排列有序的片状覆盖物,实则为蝴蝶鳞片,也称为鳞粉,由于其易脱落的特性,通常会沾染到碰触者手上,同时,鳞片也是蝴蝶翅膀绚丽多彩的原因。 

接下来,我分别选取绿带翠凤蝶和尖钩粉蝶翅膀上部分鳞片在ZEISS Gemini 500 SEM下观察,由于蝴蝶翅膀不导电,先对其进行喷金处理,用到的设备为Gatan PECS 685.C(精密Ar离子抛光镀膜仪),其中绿带翠凤蝶翅膀上鳞片分布如图二所示。

与光学显微镜照片对比可以发现, 绿带翠凤蝶翅膀上的鳞片结构主要有两种,一种鳞片端部圆滑无齿裂,肉眼观察呈鲜艳色;另一种为基层多齿鳞片,肉眼观察为暗棕色。

对两种鳞片放大后观察可以看到,其均具有表面非光滑形态,且鳞片表面都有纵向平行周期分布的脊脉,脊脉与脊脉间的间隔基本保持固定,其中 图三所示端部圆滑无齿裂的鳞片,两脊脉间分布着凹坑形的结构,图四所示基层多齿鳞片,脊脉与脊脉间结构呈网格状分布。

与绿带翠凤蝶相同,尖钩粉蝶的翅膀上也分布着两种鳞片,如图五所示,端部圆滑无齿裂与端部多个齿裂鳞片,同样两种鳞片表面脊脉均平行等间距分布,且脊脉间横肋呈平行网格状分布。

蝴蝶翅膀的颜色来源于翅膀上的一个个鳞片,每一个鳞片相当于一个色素点,蝴蝶鳞片显色的原因主要分为三大类:

1.  色素色, 又称化学色,是一种由鳞片内部存在某些化合物造成的,也是自然界昆虫着色的基本形式,这些化合物吸收某种波长光波,反射其他光波从而形成各种颜色。

2.  结构色, 又称物理色,由鳞片具有的特殊结构引起,这些结构能够使光线发生折射、反射、衍射或干涉,从而产生的各种颜色。除蝴蝶外,甲虫体壁表面的金属光泽和闪光等也是典型的结构色。

3.  混合色, 又称化学物理色或综合色,很多种类的蝴蝶都同时具有化学色和物理色,两者混合在一起,即翅膀上同时具有色素颗粒和物理结构。

针对以上蝴鳞片显色的原因,利用实验室现有的设备,我决定对蝴蝶鳞片进行大解(fen)剖(xi),主要利用FIB(ZEISS Crossbesm540),分别对绿带翠凤蝶和尖钩粉蝶两种不同的鳞片的内部构造进行分析,其中第一列为端部圆滑鳞片,第二列为端部多齿鳞片,如图六所示,截面切后发现,绿带翠凤蝶端部圆滑鳞片截面为由约7对空气介质层与壳质材料组成的多层膜结构,相同介质膜层形态、尺寸、间距等基本相同,也正是因这种层状结构使入射光发生多层膜干涉而显色;尖钩粉蝶端部圆滑鳞片截面则类似塔层状,有研究人员通过对其反射光学性能测试发现,其所显黄色来自于色素的选择性吸收,该色素主要吸收紫外波段及蓝光波段,而端部多齿鳞片截面结构则没有特征结构。

我在对绿带翠凤蝶制样后,对其他部位也进行了SEM观察,发现蝴蝶翅膀上还有一根根长长的绒毛,放大后观察绒毛是圆柱状的,且由平行间隔的脊脉与横肋交织包裹而成,如图七所示。

同时,蝴蝶翅膀上一个个鳞片都像一把小扇子,每把扇子下面都有个把手,通过把手一把把小扇子插在了蝴蝶皮肤上一个个圆孔里,如图八所示。

不积珪步,无以至千里;不积细流,无以成江海。做好每一份工作,都需要坚持不懈的学习。

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