מחקר עם כנפיים

פרפרים מציתים את הדמיון האנושי כבר שנים רבות, ומסמלים בין השאר שינוי, התפתחות, יופי וארעיות. אחד ממקורות קסמם הוא צבעיהם הססגוניים, שההסבר להם דווקא גשמי למדי. 

בטבע מוכרות שתי דרכים מרכזיות ליצירת צבע: צבע שמקורו בצִבְעָנים (פיגמנטים) וצבע מבני, הקרוי גם צבע פיזיקלי. צבע שמקורו במולקולות פיגמנט נוצר כאשר הן בולעות חלק מאורכי הגל של האור ומחזירות אחרים, מה שנתפס בעין ובמוח בתור צבע. אנו נתקלים בהם רבות בחיי היומיום – בכל  פעם שאוכלים אוכמניות ומקבלים צבע שמסרב להישטף מכפות הידיים, או מתבלים את התבשיל בכורכום שנשאר על השיש שבועות שלמים. לעומת זאת, הצבעים המבניים – שמקנים גוונים מבהיקים-מתכתיים בין השאר לנוצות טווס, לחיפושיות מסוימות ולכנפיים של פרפרים ועשים – נוצרים עקב יחסי הגומלין של האור עם תתי-מבנים תלת ממדיים הנמצאים בחומר. לאחרונה גילה צוות חוקרים בהובלת מדענים מאוניברסיטת שפילד באנגליה, כיצד הצבעים האלה נוצרים במהלך התפתחותן של כנפי פרפרים.

אם כן, צבעיהם הבוהקים של הפרפרים (ושל עשים מסוימים) הם צבעים מבניים, שמקורם בקשקשים שעל כנפיהם. אלה מבנים מיקרוסקופיים סדורים וייחודיים, שגם הם מוכרים לנו מחיי היומיום: אם אי פעם החזקת פרפר, ודאי שמת לב למשקע האבקתי שהותיר החרק הססגוני מאחור. קיומו של הצבע המבני תלוי בשלמות הקשקשים, כיוון שהמבנים הקיימים בכול קשקש גורמים להתאבכות – מפגש בין גלים מאותו סוג באותה נקודה – של קרני האור, ומההחזר של חלק מהאור נוצר צבע. בעוד שצבעים מהסוגים האחרים ייראו לעין כל עוד המולקולות האחראיות להם שלמות, צבעים מבניים לא ישתמרו אם מבנה הקשקשים ישתנה. לכן אוכמנית תשמור על צבעה הסגול גם אם תימעך, אך אם גורל דומה יפקוד כנף של פרפר – צבעה ייהרס.

לקשקשים הבוהקים והעמומים מבנה דומה. פרפר הליקוניוס שׂרה (A), קשקשים בוהקים בכחול (B) וקשקשים עמומים שחורים ולבנים, צילום מיקרוסקופ אלקטרונים של הקשקשים (D). מקור: Lloyd, V.J. et al. Nat Commun (2024)

על כיטין, אקטין וצפיפות החומר

גודל הקשקשים עשרות עד מאות מיקרונים (מיליוניות המטר), והם מורכבים בעיקר ממולקולות כיטין ואקטין.  כיטין הוא רב-סוכר, דומה במבנהו הכימי לתאית, שממנו עשוי השלד החיצוני של פרוקי הרגליים, כגון חרקים. שלדים חיצוניים כאלה הם קשיחים ועמידים ביותר. המרכיב השני, אקטין, הוא החלבון הנפוץ ביותר ברוב התאים. הסיבים שנוצרים ממנו ממלאים תפקיד מפתח בחלוקת התא, בהתכווצויות שרירים ובתהליכים נוספים. כל קשקש בכנף הפרפר מתפתח מתא בודד, שבו נוצרת, על בסיס סידור האקטין, מעטפת כיטינית קשיחה. המבנה המחזורי של המעטפת, שמזכיר תעלות אורכיות, אחראי לצבעים המבריקים-מתכתיים המוכרים לנו. 

במחקר הנוכחי, החוקרים השתמשו בשיטות הגדלה מתקדמות כדי לאפיין את מבנה הקשקשים על כנפיהם של מגוון פרפרים בשלבים שונים של התפתחותם, מהזחל ועד לפרפר הבוגר. הודות לשיטות החדשות הם הצליחו לבחון את מבנה קשקשי הכנף ברזולוציה תת-מיקרונית – כלומר, בגודל שהוא כמאית מעובי שערה –  ומצאו שלקשקשים בוהקים ולקשקשים עמומים היה מבנה דומה מאוד, למעט הבדל אחד מרכזי: תאים שהכילו צרורות אקטין צפופים יותר בשלב הגולם התפתחו לקשקשים בעלי צבעים מבריקים, ואילו חבריהם מועטי-האקטין התפתחו לקשקשים שהרכיבו כנפיים עמומות. התברר שסיבי האקטין יוצרים מעין "שבלונות", ועליהן נוצרים תתי-מבנים כיטיניים בצורת רכסים מְשַׁקְּפִי אור. על גבי השבלונות התפתחו שכבות כיטין אחידות ומסודרות, בעלות תכונות אופטיות שיצרו צבע מבני מעורר השתאות.

הסיבים הם מעין "שבלונות" שעליהן נוצרים המבנים שמעניקים לקשקש צבעים פיזיקליים. סיבי אקטין בקשקש מתפתח של פרפר | מקור: Lloyd, V.J. et al. Nat Commun (2024)

לא רק פרפרים

תופעה דומה, כלומר מבני כיטין דמויי-רכסים על "שבלונות" מאקטין, נצפתה אצל מגוון רחב של פרפרים. גם יצורים שונים מאוד – מחלקה של אצות בשם צורניות (Diatoms) – משתמשים באקטין כתבנית לבניית מעטפת הסיליקה (צורן דו-חמצני) שלהם ולעיצובה. ההישנות הזאת גרמה לחוקרים לשער שמדובר במנגנון כללי בטבע ליצירת מבנים מזעריים סדורים. הם מדמים את שבלונות האקטין לתבניות וסיכות שמשמשות בתפירת בגדים: בעזרת הסיכות אפשר לשמור על צורת הבגד מסודרת ומושלמת במהלך הכנתו, או במקרה הזה, במהלך תהליך התפתחות הקשקשים בכנף הפרפר.

המחקר מקדם בצעד נוסף את הבנת הצבעים המבניים בטבע, ולממצאיו עשויות להיות גם השלכות טכנולוגיות: המבנים הזעירים הייחודיים שמאפיינים כנפי פרפרים כבר העניקו השראה לפיתוח חיישנים מתקדמים, שיפור קולטני אור ליצירת אנרגיה מתחדשת, צבעים שלא דוהים ועוד. הבנת הדרך בה  האקטין בטבע מבקר את התפתחות הצבעים המבניים בפרפרים, עשויה לפתוח בפנינו אפיקים חדשים לעיצוב בהשראת הטבע: לפיתוחים צבעוניים עם תכונות אופטיות דומות.