Скоро мы сможем поблагодарить языки бабочек за лучшие методы лечения рака и вакцины

Пристальный взгляд на сложных насекомых, которые вдохновляют инженеров на бесчисленные подвиги.

Отредактировано 2023-25-06
Голубая бабочка морфо распласталась на растенииЧешуйчатая структура бабочки голубой морфо может запустить тысячу инноваций.

Более 130 миллионов лет бабочки украшают нашу планету. На протяжении большей части нашей истории мы наслаждались ими, но никогда не знали о них многого. За последние 10 лет ситуация изменилась. Используя высокотехнологичные инструменты, наука открыла доселе невиданные истины об этих "летающих цветах" - от того, как бабочки-монархи мигрируют каждую осень за тысячи миль к горному хребту в Мексике, до того, как они создают такие потрясающие узоры на крыльях. А некоторые из этих открытий даже помогли исследователям найти новые способы принести пользу здоровью людей.

Подробнее читайте в книге "Язык бабочек" Венди Уильямс, опубликованной издательством Simon and Schuster 2 июня 2020 года.

Несколько лет назад Константин Корнев из Университета Клемсона сопровождал своих маленьких дочерей, когда они гонялись за бабочками по солнечному полю Южной Каролины. Девочки нашли буйство красок и неторопливость полета этих насекомых непреодолимо манящими.

Вскоре Корнев тоже попал под чары насекомых. Перелетая с камня на грязь, с грязи на цветок, бабочки то и дело разворачивали и снова сворачивали длинный тонкий трубкообразный придаток, выступающий из ротовой полости. Часто они клали эти развёрнутые инструменты на различные поверхности и оставляли их там на несколько секунд.

Он предположил, что они добывают пищу. Но как? Принято считать, что бабочки используют эти инструменты для глотания, подобно тому, как мы используем соломинки для питья.

Однако то, что он видел, не имело смысла. Иногда казалось, что бабочка вставляет свой придаток, называемый хоботком, в цветок, видимо, "глотая" нектар. В других случаях эти хоботки располагались вдоль твердой поверхности почвы или даже камня. "Пить" с камня казалось маловероятным.

Био-гений этих безвкусных, сверкающих существ поразил его с полной силой. Происходило нечто гораздо более интересное, чем простое потягивание. Но что?

Его любопытство было не праздным. Корнев - инженер по материалам. Материаловеды создают новые материалы. Но Корнев не создает их с нуля. Как и сама эволюция, он основывается на том, что уже существует.

Он подозревал, что бабочки могут дать важные подсказки для решения вопроса, с которым столкнулся он и другие исследователи: как транспортировать бесконечно малые капли жидкости, диаметром не более нескольких микрон, по длинным узким трубкам.

Решение этой проблемы будет иметь важные последствия для таких разных областей, как хирургия мозга, хирургия сердца, чистая физика, прикладная электроника... Может ли хоботок бабочки, который, в конце концов, работает над той же проблемой на протяжении более 130 миллионов лет эволюции, предложить какое-нибудь умное решение?

Чтобы выяснить это, Корнев поставил капли воды с сахаром на столешницу и снимал бабочек во время их кормления. Замедляя пленку, он мог наблюдать за насекомыми в замедленной съемке.

Как и ожидалось, бабочки не просто пили. Но они явно глотали пищу. Он обратился к научной литературе и обнаружил, что, что примечательно, ни в одной опубликованной работе этот вопрос не рассматривался. В течение сотен лет практически все считали само собой разумеющимся, что хоботок бабочки - это соломинка для питья.

Воспользовавшись современными высокотехнологичными микроскопами, позволяющими рассмотреть хоботок на мультимикронном уровне, Корнев и биолог бабочек из Клемсона Питер Адлер вместе с аспирантом Мэтью Ленертом начали изучать хоботок изнутри и снаружи.

Они обнаружили, что бабочки разработали различные высокоэффективные транспортные системы, которые перемещают капли диаметром всего несколько микрон через хоботок, используя преимущества основных физических сил, таких как капиллярное действие.

Каждый вид делает это своим уникальным способом. Некоторые виды могут изменять диаметр внутренней трубки, либо расширяя, либо утончая ее, чтобы вместить жидкости различной вязкости. Например, мед или древесный сок требуют более широкого диаметра, чем вода.

Некоторые хоботки сильно перфорированы, что позволяет насекомым "промакивать" пленку на поверхности камней, как бумажные полотенца промакивают кухонные пятна. У другого вида на кончиках хоботков имеются острые, похожие на пилу "зубы", которые могут прорезать мякоть фруктов или, в некоторых случаях, животных (включая человека), чтобы добраться до питательных веществ, находящихся внутри.

Язык бабочек обложкаЯзык бабочек" Венди Уильямс. Саймон и Шустер

Эти открытия имеют важное применение в человеческих технологиях. Например, зонды, вдохновленные бабочками, могут вскоре доставлять токсичные противораковые вещества внутрь раковых клеток - революционный прорыв, который позволит врачам уничтожать бурно размножающиеся раковые клетки, но минимизировать риск для здоровых тканей.

Или же эволюционные стратегии, разработанные бабочками, могут помочь хирургам доставлять нанолитровые объемы крови в мельчайшие кровеносные сосуды человека, предотвращая тем самым их кислородное голодание. Другие инструменты, вдохновленные бабочками, могут помочь медикам доставлять вакцины без риска заражения, связанного с инъекциями иглой.

Другие исследовательские группы заинтересованы в других приспособлениях бабочек. Биолог Адрианна Бриско и инженер Джахо Ли из Калифорнийского университета объединились для изучения микроструктур на крыльях бабочек, которые позволяют насекомым нагреваться и охлаждаться в экстремальных условиях. При содействии аспиранта Анирудха Кришны их открытие может помочь в разработке новых и более энергоэффективных строительных материалов.

Нипам Патель, директор Морской биологической лаборатории штата Массачусетс и пожизненный коллекционер бабочек, изучал микроскопическую структуру чешуек, покрывающих крылья бабочек. Его исследования показали, что потрясающая голубая бабочка морфо получает свой сверкающий голубой цвет не от пигмента, а от похожей на елочку формы микроструктур чешуек, которые рассеивают все частоты света, кроме голубого.

Это открытие также имеет множество практических применений. Например, Радислав Потырайло из GE Global рассчитывает, что чешуйчатая структура голубого морфо поможет ему решить практическую задачу по разработке небольших недорогих датчиков, способных обнаруживать ядовитые газы в атмосфере или предупреждать страдающих астмой о присутствии в воздухе раздражителей, вызывающих затрудненное дыхание.

Бабочки сами по себе вызывают благоговение, о чем знали две маленькие дочери инженера Корнева. Но гений бабочек также помогает нам спасать человеческие жизни.