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2018-09-18 | 前沿

美国哈佛大学开发出昆虫翅膀发育模型

【据美国哈佛大学网站2018年9月17日报道】对于大多数昆虫来讲,翅膀就像指纹一样,没有两种昆虫的翅膀图案是相同的。像豹子和斑马鱼以及许多其他生物一样,这些昆虫受益于大自然看似无穷无尽的生成各种形状和图案的能力。但这些翅膀图案是如何形成的?美国哈佛大学的研究人员开发出了一种模型,只需几个参数即可重建一大群昆虫的翅膀图案,从而揭示这些复杂模式的形成方式。这个模型可用于研究翅膀结构和其他图案形状的演变。

虽然昆虫翅膀的形状和图案在不同物种之间变化很大,但几乎所有的昆虫翅膀都有翅脉,一种粗大的类似支柱的嵌入在翅膀表面的结构。一些昆虫,如果蝇,只有一些大的主脉。这些翅脉的位置和形状在同一个体的左翼和右翼之间以及同一物种的个体之间是相同的。但其他昆虫,如蜻蜓,有一个复杂的辅脉网络,在翅膀内纵横交错,将翅膀分成成百上千个小而简单的形状。这些辅脉的形状和位置变化是无穷无尽的,在每个单独翅膀的图案都是独特的。

几个世纪以来,这些图案让生物学家和艺术家着迷。从17世纪中期,生物学家就在昆虫发育研究中对翅膀图案进行了非常详细的描述,这是描述和识别不同物种的基本步骤。研究人员收集了来自215个不同物种的500多个蜻蜓和豆娘标本,分属于17个科,并生成了翅膀的2D图像。研究人员利用这些深度数据编制了一个大型的翅膀样本数据库,并对由交叉翅脉形成的每个单独的多边形形状进行区分或分割。研究人员将这些单独形状称之为域,研究了每个域的延伸程度、它有多少边、它是如何触及它的邻居的等。

研究人员发现这些几何变化可以通过域的大小及其圆度来描述。虽然每个翅膀的图案都是独特的,但是同一科和种的昆虫的域形状分布非常相似。研究人员利用这些相似性建立了一个简化的翅脉发育模型。研究人员提出,一种未知的抑制信号从在主翅脉间的多个信号中心向外扩散。这些抑制区随机出现并相互排斥,可防止辅翅脉在某些区域生长。随着翅膀在发育期间的增长和伸展,翅膀上的这些区域可以形成由翅脉围绕的复杂几何形状。

研究人员在许多不同的昆虫物种上测试了该模型,包括远缘昆虫,并生成了仿生的翅膀复制品。这些复制品与真正的昆虫翅膀非常类似,研究人员有时也会搞混。这项研究得到了美国能源部(DOE)和美国国家科学基金会的支持,相关论文《A simple developmental model recapitulates complex insect wing venation patterns》已在《美国科学院院报》上发表。

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