Témavezetők: Prof. Biró László Péter és Dr. Kertész Krisztián

Tanszék/Intézet: MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet

Kék boglárkalepkék szín és pikkelyszerkezet szerinti azonosítása

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A fotonikus nanoarchitektúrák olyan nanokompozitok, amelyek képesek befolyásolni a fény terjedését. Az ilyen, ember alkotta anyagok története mindössze húsz éves, a biológiai evolúció azonban már több mint 500 millió éve hoz létre ilyen nanoszerkezeteket.

Röviden ismertetem a Budai-hegységben élő boglárkalepke fajok színe, nanoszerkezete és előfordulása közötti összefüggéseket spektrális és elektronmikroszkópiai módszerek felhasználásával. Mesterséges neurális hálózat használatával megmutatom, hogy a boglárkalepkék a színük segítségével azonosíthatják egymást. Továbbá a lepkék színérzékelését felhasználva bemutatom, hogy az azonos élőhelyen előforduló és spektrálisan hasonló fajok nem repülnek egy időben, generációik felváltva követik egymást, mely lehetővé teszi a szín alapján történő sikeres párválasztást.

A kutatóhely rövid bemutatása

Az MTA Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetének Nanoszerkezetek Osztályán a 2000-es évek eleje óta tanulmányozzák nagyfelbontású mikroszkópiai módszerekkel (pásztázó és transzmissziós elektronmikroszkópia), továbbá optikai spektroszkópiával különféle biológiai eredetű fotonikus kristályszerkezetek nanoszerkezetét és optikai tulajdonságait. A munkát a multidiszciplinaritás jegyében együttműködésben végzik a Magyar Természettudományi Múzeum Állattárának Lepkegyűjteményével.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A látás és a szín fontos kommunikációs csatornát képeznek az élővilágban, ezért erőteljes szelekciós hatásoknak vannak kitéve [1]. A biológiai evolúció számos olyan optikai szerkezetet hozott létre, amelyek irigylésre méltóak az anyagtudomány és a fizika szemszögéből közelítve [2]. Számos bogár és lepkefaj fejlesztett ki esetenként még dinamikus viselkedést is mutató fotonikus nanoarchitektúrákat, vagyis olyan nanoszerkezetek együttesét, amelyek a levegő és a kitin megfelelő egymáshoz rendezettségével képesek a legkülönbözőbb színeket és irideszcenciát (videó) produkálni. Ez a színképzés gyakran a megszokott festékanyagok (kémiai szín) és a fotonikus nanoarchitektúrából eredő, ún. szerkezeti szín együtteséből származik [3], [4]. Szerkezeti színek előfordulnak az ásványok (látványos példa a nemesopál), sőt a növények [5] esetében is. A lepkék szárnyát megvizsgálva azt tapasztaljuk, hogy a szárnyat tetőcserépszerűen borító pikkelyek felelősek a szárny színéért, ahogy az az alábbi képen is látható [6].

Bal oldal: hím Polyommatus icarus, jobb felső: a szárnyat tetőcserépszerűen

burkoló pikkelyek, jobb alsó: a fotonikus nanoarchitektúra

Elektronmikroszkópiai képalkotást felhasználva láthatóvá válik a pikkelyeket kitöltő fotonikus nanoarchitektúra, melyet a kitin és a levegő nano-skálájú törésmutató kontrasztja alakít ki. Pásztázó elektronmikroszkópon lépésenként növelve a nagyítást az alábbi kép tárul elénk.

Pikkelyek rendszerétől a fotonikus nanoarchitektúráig

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A biológiai eredetű fotonikus nanoarchitektúrák többsége több mint 500 millió éves evolúcióval érte el jelenlegi formáját, úgy, hogy az általuk ellátott funkció és annak megvalósítására kialakított szerkezet minél jobban összhangban legyen a szerkezetet hordozó élőlény életterével. Érdemes tehát megvizsgálni, hogy a rovarvilágban milyen célból alakultak ki fotonikus kristályszerkezetek és mire használják ezek az állatok a szerkezeti színeiket [7]. Fontos megjegyezni, hogy például a lepkék esetében nem létezik sem kék, sem zöld színanyag. Ez azt jelenti, hogy minden olyan lepke, melyen e két szín valamelyikét látjuk, fotonikus kristályszerkezetet hordoz. További érdekes bizonyíték a fotonikus kristály létezésére a törésmutató kontraszt megváltoztatásával szerezhető: ha a nanoszerkezetben lévő levegőt alkohollal helyettesítjük, a lepkeszárny színe kékből zölddé változik, és mindez tökéletesen reverzibilis módon történik.

A szárny alkohollal leöntött területei zölddé változnak, melynek elpárolgása után visszakapjuk az eredeti kék színt.

(kattintásra videó nyílik)

Kutatásom során kék szárnyú boglárkalepke fajok szerkezeti színét és az ezt előállító fotonikus nanoarchitektúrát tanulmányoztam. E kilenc lepkefaj jellemzően azonos élőhelyen fordul elő, esetünkben a Budai-hegységben.

Polyommatus amandus (a), P. bellargus (b), P. coridon (c), P. damon (d), P. daphnis (e),

P. dorylas (f), P. icarus (g), P. semiargus (h), P. thersites (i) lepkék fotója

Vizsgálataimmal két alapvető kérdésre kerestem a választ: az azonos élettérben előforduló boglárkalepke fajok hím egyedeinek szexuális jelzőszíne milyen mértékben tér el egymástól és ezek az eltérések elégségesek-e a fajok elkülönítéséhez, megvalósítva ezáltal a szín alapján történő szexuális kommunikációt? Továbbá, a fotonikus nanoarchitektúra elektronmikroszkópos vizsgálatával elvégezhető-e a jelzőszínhez hasonló klasszifikáció, megtalálhatóak-e azok a szerkezeti jellegzetességek, melyekből a kék árnyalatok közötti különbségek származnak?

Módszerek

A kérdések megválaszolásához nagy számú múzeumi boglárkalepke példányra volt szükségem, melyeket a Magyar Természettudományi Múzeum (MTTM) Állattárából kaptunk. Tekintettel az állatok értékére, szükséges volt egy roncsolásmentes optikai vizsgálati módszer, amely gyorsan és jól reprodukálható módon elvégezhető. Erre a célra fejlesztettük ki a spektrodeszkát, mely az entomológusok által használt preparáló deszka ötletének felhasználásával noninvazív merőleges optikai reflexiómérést tesz lehetővé [S1].

A spektrodeszka mérés közben, rajta négy Polyommatus fajjal

Ezáltal minden egyes lepke reflexiós spektruma, azaz a szárnyról merőlegesen visszavert fény azonos körülmények között vizsgálható úgy, hogy az egyedek nem szenvednek semmiféle mechanikai roncsolódást. Az eszköz segítségével reprodukálhatóan rögzítettem 110 boglárkalepke szárnyáról visszaverődő fény spektrumát a 200 – 1100 nanométeres hullámhossz-tartományban.

Ezeket fajonként átlagolva és közös grafikonon ábrázolva lehetővé válik az egyes boglárkalepke fajok spektrumainak összehasonlítása (lásd a fenti ábrán). Az ábrán jól látható, hogy mind a kilenc faj spektruma megkülönböztethető egymástól. Továbbá az is észrevehető, hogy a reflexiós görbék csoportokat alkotnak – a kilenc lepkét tartalmazó fotón látható árnyalatoknak megfelelően beszélhetünk kék, lilás és kékes-zöld fajokról.

A reflexiós spektrumokon kívül elkészítettük a kilenc faj pikkelyeinek pásztázó (SEM) és transzmissziós (TEM) elektronmikroszkópos felvételeit is. Ezek mindegyike borsszóróhoz hasonló, ún. pepper-pot szerkezetet mutat, ahogy az az alábbi felvételeken is látható.

       (a)                                                                                              (b)

Polyommatus icarus hím pikkelyszerkezete SEM (a) és keresztmetszeti TEM (b) felvételen

Az elektronmikroszkópos felvételek alapján a nanoarchitektúrák esetében is felfedezhetők hasonlóságok az egymáshoz közeli árnyalatú fajok esetében, de az eredmény közel sem olyan egyértelmű, mint a reflexiós spektrumok esetében. Emiatt szükségesé vált mind az elektronmikroszkópos képek, mind a spektrumok kvantitatív jellemzése és az így kapott – az általam mért színt és szerkezetet jól leíró – adatsorok összehasonlítása. Ehhez a spektrumok esetében egy olyan algoritmust használtam, mely az eredeti görbékből kivonva a barna pigmentből származó hátteret, előállítja a kék tartományban található csúcsok jellemző paramétereit.

A fotonikus nanoarchitektúra jellemzésére az Osztályunkon kifejlesztett szoftver segítségével nyílt mód. Ez a program meghatározza a szerkezet jellemző paramétereit a pásztázó és transzmissziós elektronmikroszkópos felvételek alapján, így előállítva a szerkezetet leíró adatsort. Az ilyen módon kinyert spektrális és szerkezeti adatsorokon mesterséges neurális hálózat (ANN) elvén működő szoftver segítségével végeztem klasszifikációt [8]. Ez azt jelenti, hogy megvizsgáltam, hogy lehetséges-e a lepkék színe és nanoszerkezete alapján az egyes példányok fajának meghatározása. Az ANN elvű szoftver úgy működik, hogy az ismert adatsorokkal megfelelő ideig történő tanítás során a hálózat faj-azonosító képességre tesz szert. A tanítási paramétereket megfelelően megválasztva a lepkefajok klasszifikációja hatékonyan elvégezhető.

Eddigi eredmények

A klasszifikációs feladat elvégzéséhez az összes, 110 darab egyed felét véletlenszerűen kiválasztottam és ezekkel végeztem a tanítást. Tehát a valós klasszifikáció az egyedek másik felével, azaz 55 darab lepkével történt, melyeket a hálózat korábban nem „ismert”. Spektrális vizsgálat esetében, azaz a szín alapján történő azonosítás estén a hálózat az 55 példányból 53-nak sikeresen ismerte fel a faját, ami 96%-os hatékonyságot jelent [S2, S3]. Ugyanez az azonosítási hatékonyság a szerkezeti paraméterek alapján elvégzett klasszifikáció esetében 92% lett [S4].

Mit jelent ez? Azt, hogy a lepkefajok megkülönböztethetőek a színük alapján, tehát a szerkezeti szín a boglárkalepke fajokat egyértelműen jellemzi és ezáltal felhasználható a fajok azonosításra is. Továbbá a szerkezetet jellemző paraméterek alapján is elvégezhető a fajok szerinti klasszifikáció.

Jogosan merülhet fel a kérdés, hogy mi garantálja azt, hogy a természetben is lejátszódik ez az azonosítási folyamat. Ezért a fenti (számítógépes modellel igazolt) hipotézis kísérleti ellenőrzéséhez érdemes megvizsgálni a lepkék színérzékelését. Szakirodalmi adatok [9] alapján tudjuk, hogy a boglárkalepkék színlátása hasonlít az emberéhez, annyi különbséggel, hogy három színérzékelő receptor helyett néggyel rendelkeznek. Három receptor érzékenységi tartománya ezek közül lefedi az emberi színlátást, míg a negyedik receptor a közeli ultraibolya (UV, 200 – 400 nm) tartományban érzékel (piros görbe).

Polyommatus lepkék szemének érzékenységi görbéi

Érdemes megfigyelni a fajspecifikus spektrumokat tartalmazó ábrán, hogy mind a kilenc faj spektruma esetében dominál ez az UV - kék tartomány – sőt, található itt egy emberi szemnek láthatatlan reflexiós csúcs is.

A korábban megmért 110 spektrumból és a lepkék szemének érzékenységi görbéiből elkészíthető egy háromdimenziós színinger tér (hasonlóan a CIE 2D ábrázoláshoz), melyben az egyes pontok az egyes egyedek spektrumainak egyértelműen megfeleltethetőek. Tehát ez a színinger tér azt mutatja meg, hogy a lepkék szemével milyennek látszik e kilenc faj 110 darab egyede [S4]. Azt vártam, hogy a színinger pontok fajok szerint csoportosulni fognak, mivel az azonos fajú egyedek közel megegyező színűek. Ellenben a különböző árnyalatok szeparálódni fognak a színinger térben. Ábrázolva mind a 110 egyed színinger pontjait az alábbi grafikont kaptam.

(a színtér mozgásban: kattintásra videó nyílik)

A narancssárga vonallal bekeretezett két faj koordinátái nem feleltek meg a várakozásaimnak, mivel színinger pontjaik keverednek egymással. Ez azt jelenti, hogy a P. icarus és P. thersites fajok nem különböztethetők meg egymástól a lepkék szemével „nézve”.

Hogyan oldható fel az így keletkezett, az ANN elvű modell és a színlátás mérési eredményei közötti ellentmondás? Ehhez érdemes megvizsgálni a lepkék életterét, illetve azt, hogy mikor vannak jelen, – szakkifejezéssel élve – repülnek a Budai-hegységben. Ezért elkészítettem egy hisztogramot, ami azt mutatja meg, hogy ez a kilenc boglárkalepke faj milyen idősávokban repül az élőhelyén. Ennek megalkotásához 285 darab lepke begyűjtési dátumait használtam fel, melyeket a MTTM Állattárában rögzítettem.

A repülési hisztogram, mely a boglárkalepkék időbeli eloszlását mutatja be a Budai-hegységben

Az így kapott repülési hisztogramon jól látható mind a kilenc faj életciklusa a nyár folyamán, és használatával feloldódik a korábbi ellentmondás is. A P. icarus és P. thersites lepkefajok időben eltolva vannak jelen az élőhelyükön, generációik felváltva követik egymást. Ez az időbeli szeparáció tehát lehetővé teszi a szín alapján történő sikeres párválasztást, igazolva a korábbi mesterséges neurális hálózat segítségével kapott eredményemet.

A boglárkalepkék nanoszerkezetének tanulmányozásával nyert információ hasznosítható a további alkalmazásokat illetően is. A reflexiós spektrumok fajspecifikusságával együtt azt is kimutattam, hogy egy adott fajú lepke nanoszerkezete sok generáción keresztül állandó marad. Felhasználva azt a tényt, hogy a nanoarchitektúrát körülvevő közeg megváltoztatásával a szárnyon színváltozást érünk el, a lepkeszárnyat optikai gáz/gőzérzékelő szenzor-alapanyagként használhatjuk fel, melynek állandó minőségét a nanoszerkezet időbeli változatlansága garantálja. Jelenleg ezen a területen folytatom vizsgálataimat.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája:

[S1] Bálint Zs., Wojtusiak J., Piszter G., Kertész K. & Biró L. P.: Spectroboard – an instrument for measuring spectral characteristics of butterfly wings – a new tool for taxonomists, Genus 21, 163–168. (2010),
link = http://www.biol.uni.wroc.pl/cassidae/Balint_Spectroboard.pdf.

[S2] Piszter G., Kertész K., Vértesy Z., Bálint Zs. & Biró L. P.: Color based discrimination of chitin–air nanocomposites in butterfly scales and their role in conspecific recognition, Analytical Methods 3, 78, (2011), DOI = http://xlink.rsc.org/?DOI=c0ay00410c, link.

[S3] Piszter G., Kertész K., Vértesy Z., Bálint Zs. & Biró L. P.: Photonic nanoarchitectures in butterfly scales allowing species identification, Procedia Computer Science 7, 200–201. (2011), DOI = 10.1016/j.procs.2011.09.047.

[S4] Bálint Zs., Kertész K., Piszter G., Vértesy Z. & Biró L. P.: The well-tuned blues: the role of structural colours as optical signals in the 

species recognition of a local butterfly fauna, J. R. Soc. Interface, available online. (2012), DOI = 10.1098/rsif.2011.0854.

Hivatkozások listája:

[1] Parker A., In the blink of an eye: how vision kick-started the big bang of evolution, Simon & Scuster UK Ltd, London, (2004)

[2] Vigneron J. P. et al., Switchable reflector in the Panamanian tortoise beetle Charidotella egregia, Phys. Rev E 76, 031907. (2007)

[3] Biró L. P., Bálint Zs., Kertész K., Vértesy Z., Márk G. I., Horváth Z. E., Balázs J., Méhn D., Kiricsi I., Lousse V.and Vigneron J. P.: Role of photonic-crystal-type structures in the thermal regulation of a Lycaenid butterfly sister species pair. Phys. Rev. E 67, 021907. (2003), link.

[4] Vigneron J. P., Kertész K., Vértesy Z., Rassart M., Lousse V., Bálint Zs., Biró L. P.: Correlated diffraction and fluorescence in the backscattering iridescence of the male butterfly Troides magellanus (Papilionidae), Phys. Rev. E 78, 021903. (2008), link.

[5] Thomas K. R, Kolle M., Whitney H. M., Glover B. J. and Steiner U.: Function of blue iridescence in tropical understorey plants, J. R. Soc. Interface 7, 1699–1707. (2010)

[6] Ghiradella H., Microscopic Anatomy of Invertebrates 11A, 257. (1998)

[7] Biró L. P., Vigneron J. P.: Photonic nanoarchitectures in butterflies and beetles: valuable sources for bioinspiration,

Laser Photonics Rev. 5, 27–51. (2011), link.

[8] Horváth G.: Neurális hálózatok és műszaki alkalmazásaik, Műegyetemi Kiadó, (1998)

[9] Sison-Mangus M. P., Briscoe A. D., Zaccardi G., Knüttel H. & Kelber A.: The lycaenid butterfly Polyommatus icarus uses a duplicated blue opsin to see green, J. Exp. Biol. 211, 361–369. (2008)

Linkgyűjtemény:

1.) Osztályunk által üzemeltetett népszerűsítő jellegű weboldal (magyar nyelven): www.nanotechnology.hu/magyarul.html

2.) Osztályunk által üzemeltetett tudományos weboldal (angol nyelven): www.nanotechnology.hu

3.) A Magyar Természettudományi Múzeum Lepkegyűjteménye: http://www.nhmus.hu/hu/allattar/lepkegyujtemeny

4.) A GE által fejlesztett bioinspirált szenzorok: http://ge.geglobalresearch.com/blog/developing-new-bio-inspired-sensors-breakthroughs-from-butterflies/