[論文レビュー] Nanoscale cuticle density variations correlate with pigmentation and color in butterfly wing scales

Deepan Balakrishnan, Anupama Prakash+7 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2023

Insect and Arachnid Ecology and Behavior被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、フォトグラフィックX線コンピュータ断層撮影を用いて、バタフライの翅の鱗片におけるナノスケールの角質層質量密度が、特に下部リムナにおいて色素濃度と逆相関していることを明らかにした。研究結果は、色素がキチンの重合に影響を与え、密度および屈折率を変化させることで、干渉効果によって構造色が調節されることを示し、生化学的組成と光学的性質との間のメカニズム的関連をナノスケールで解明した。

ABSTRACT

Custom code for X-ray ptycho tomo 3D reconstruction volumetric data analysis and Optical modelling. The package contains Jupyter Notebooks (IPython) for estimating nano-scale densities of sub-structures of butterfly-wing scales and for thin-film interference modelling to fit experimental reflectance spectrum data. Please read the method section of the manuscript for a more detailed description of the computational scheme. The readme file contains descriptions to install and execute the package.

研究の動機と目的

• 色素の分布がバタフライの翅の鱗片におけるナノスケールの角質層質量密度に与える影響を調査すること。
• 構造色を持つ鱗片において、角質層密度、キチンナノ構造、および反射色との関係を特定すること。
• 色素が光の吸収に加えて、キチンポリマーの物理的整列および屈折率にも影響を与えるかどうかを検討すること。
• 高分解能X線イメージングを用いて、色素の異なる鱗片における3次元質量密度の変動を定量すること。

提案手法

• バタフライの翅の鱗片におけるナノスケールの3次元質量密度マッピングを実現するため、フォトグラフィックX線コンピュータ断層撮影（PXCT）が用いられた。
• 色素の異なる2種のバタフライ、*Junonia orithya* および *Bicyclus anynana* の鱗片を分析し、密度およびナノ構造を比較した。
• 特に上部および下部リムナに注目して、異なるリムナにおいて3次元空間における角質層密度を定量した。
• ロッド状またはシート状のキチン配列といった構造的特徴を、色素濃度および密度プロファイルと関連付けた。
• 同一の鱗片内における色素を含む領域と含まない領域との間で統計的比較を行い、色素の影響を隔離した。
• 生物学的材料における既知の関係を用いて、密度測定値から屈折率を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 色素濃度は、バタフライの翅の鱗片におけるナノスケールの角質層質量密度にどのように影響するか？
• RQ2 バタフライの鱗片の上部リムナにおいて、キチンナノ構造（ロッド状対シート状）と色素濃度の関係は何か？
• RQ3 異なるバタフライ種および色素状態において、下部リムナは一貫して最高の角質層密度を示すか？
• RQ4 色素は、構造色メカニズムにおける屈折率および光路長にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 角質層密度の変動は、同一の鱗片における色素を含む領域と含まない領域の間で反射色の違いを説明できるか？

主な発見

• 解析されたすべての種および色素濃度レベルにおいて、バタフライの翅の鱗片の下部リムナは一貫して最高の角質層質量密度を示した。
• 下部リムナにおいて、色素濃度と角質層密度の間に顕著な逆相関関係が認められ、色素濃度が高いほど密度が低くなる傾向があった。
• *Junonia orithya* および *Bicyclus anynana* の上部リムナでは、低色素濃度の領域にシート状のキチン構造が関連し、色素濃度が高い領域ではロッド状の形態と関連していた。
• 下部リムナ内に見られる明確な層状サブ構造が、観察された色の反射に寄与しており、マルチレイヤー干渉の役割を果たしている可能性がある。
• 本研究では、色素が光の吸収に加えて、キチンの重合ダイナミクスにも影響を与える可能性があるという証拠が得られ、その結果、密度および屈折率に影響を与えることが示された。
• 3次元質量密度マップは、色素に起因するナノ構造および密度の変化が空間的に不均一であり、スケールに特異的であることを明らかにした。これにより、光学的出力に顕著な影響が及ぶことが分かった。