De delicate vleugels van vlinders zouden snel moeten verbranden in de zon, maar toch gebeurt dat niet. Dit komt doordat vlinders met enkel hun vleugels de intensiteit en richting van zonlicht kunnen waarnemen en daarop kunnen reageren.
Voor het eerst hebben wetenschappers gekeken naar de invloed van temperatuur op de structuur van de vleugels en het gedrag van vlinders, zo melden ze in Nature Communications. Ze ontdekten dat de vleugel uit een groot netwerk van levende cellen bestaat, die het beste werken als de temperatuur niet te hoog of te laag is.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Het team van onderzoekers stond onder leiding van Nanfang Yu, hoogleraar toegepaste fysica aan Columbia Engineering, en Naomi Pierce, hoogleraar biologie en zoölogie aan de Harvard-universiteit. Yu en Pierce maten onder andere de reacties van vlinders op zonlicht. Vlinders moeten zich hieraan aanpassen, omdat hun vleugels dun en fragiel zijn: ze warmen snel op in de zon en koelen snel af als het buiten koud is. Ook het mechanisme erachter is onderzocht.
Vleugelhart
De onderzoekers begonnen met het voorzichtig verwijderen van de buitenste schubben van de vleugel. Hierdoor kwam de binnenkant bloot te liggen, waardoor ze die goed konden bekijken. Vervolgens kleurden ze de zenuwcellen in de vleugels, zodat het netwerk duidelijk zichtbaar werd.
Dat netwerk bleek te bestaan uit verschillende sensoren. De mechanische sensoren voelen wat er in de omgeving gebeurt, terwijl de temperatuursensoren meten hoe warm het is.
Om deze sensoren goed te laten werken, voorziet het lichaam ze actief van insectenbloed en zuurstof. Dit gebeurt via een klein extra ‘hart’ in de vleugel. Dit pompt het bloed door de vleugel heen, zodat het goed verdeeld wordt. Delen die belangrijk zijn, krijgen zo genoeg bloed. Een van die delen is de geurplek. Die verspreidt een geur, meestal bedoeld om vrouwtjes mee te lokken.
‘Het meeste onderzoek naar vlindervleugels is gefocust op de kleuren, waarmee vlinders signalen naar andere vlinders sturen’, zegt Pierce in een persbericht. ‘Ons onderzoek laat zien dat we de vlindervleugel moeten beschouwen als een dynamische, levende structuur.’
Infraroodmetingen
Nu eenmaal was gebleken dat vlindervleugels meer kunnen dan gedacht, wilden de onderzoekers weten of ze ook op temperatuur reageren. Ze maakten daarom warmteopnames met een nieuwe techniek die gebruikmaakt van infraroodstraling. Deze techniek beschadigt de vlindervleugels niet, maar kan wel heel precies de warmte meten. Hierdoor zijn de vlindervleugels nauwkeuriger onderzocht dan ooit tevoren.
‘Vlindervleugels hebben vaak kleuren of patronen die helpen om de temperatuur te reguleren’, zegt Yu. ‘Dankzij deze techniek kunnen we zien hoe de vleugels zich aanpassen aan warmte, onafhankelijk van het uiterlijk.’
Stralingskoelte
De onderzoekers konden de temperatuur van de lucht en het oppervlak aanpassen, net als de intensiteit van het licht. Vervolgens maten ze de verandering in de vleugels. Het eerste wat duidelijk opviel, was de warmteverdeling in de vleugels. De levende delen – de vaten en geurplekken – zijn altijd warmer dan de niet-levende delen.
In warme omstandigheden daalt de temperatuur in de levende delen door stralingskoeling: doordat de vleugel warmte uitstraalt, koelt deze af. Dit gebeurt niet in elk deel van de vleugel even snel.
‘De schubben van de vleugels hebben op nanoniveau verschillende structuren’, zegt Yu. ‘Daarnaast is de cuticula – een soort insectenhuid – niet overal even dik. Deze verschillen zorgen dat belangrijke delen sneller kunnen afkoelen dan minder belangrijke delen.’
Draaien in de zon
De vlinders reageerden ook op de richting van het zonlicht. Zelfs als hun ogen bedekt waren, konden ze precies waarnemen waar het licht vandaan kwam. Door hun lichaam te draaien of hun vleugels open of dicht te klappen, konden ze de blootstelling aan de zon verminderen.
Dit gedrag is heel duidelijk te zien in het filmpje dat de onderzoekers hebben gemaakt:
Beeld: Jane Nisselson/Columbia Engineering
Inspiratie voor machines
Om nog beter te begrijpen hoe de vleugels van vlinders werken, gaat het team nu duizenden individuen van honderden soorten vlinders analyseren. De onderzoekers hopen door de vleugels goed te bestuderen complexe vliegpatronen beter te begrijpen.
‘Elke vlindervleugel heeft dozijnen mechanische sensoren, die signalen gelijk doorgeven en zo complexe vliegpatronen mogelijk maken’, zegt Yu. ‘Dit kunnen we als inspiratie gebruiken voor het ontwerpen van vleugels van vliegende machines. Door een geïntegreerd sensorsysteem in de vleugel te verwerken, kunnen machines wellicht beter vliegen onder moeilijke omstandigheden.
