Sbattendo lentamente le sue ali arancioni e nere, una farfalla monarca sorseggia un liquido da una macchia di fango. La sua proboscide, l'apparato boccale che aspira i liquidi, sfiora il terreno umido. Per anni, i biologi sapevano che le farfalle aspiravano i liquidi dalle superfici con i pori in modo diverso rispetto ai fiori. Ma non avevano modo di osservare quelle differenze.

"I biologi sapevano di questa modalità di alimentazione, ma non aveva strumenti per osservare cosa stava succedendo, " disse Daria Monaenkova, che ha studiato questo comportamento come studente laureato alla Clemson University.

I microscopi da soli non potevano rivelare ciò che Monaenkova voleva studiare. Ma una tecnica relativamente nuova che utilizzava una radiografia estremamente potente si è rivelata la cosa giusta. Utilizzando la sorgente di fotoni avanzata del DOE, una struttura per gli utenti dell'Office of Science presso l'Argonne National Laboratory, Monaenkova e altri ricercatori sono stati in grado di realizzare video ad alta risoluzione dell'interno di insetti viventi.

Per l'ultimo decennio, l'APS è stata una casa per gli scienziati specializzati in biomeccanica degli insetti per fare ricerche che non possono fare da nessun'altra parte. Scienziati che studiano le farfalle, zanzare, e i coleotteri hanno utilizzato l'APS per rivelare nuove intuizioni su come funzionano e potenzialmente ispirare la tecnologia basata su tali funzioni.

Visione a raggi X nella vita reale

Gli scienziati che studiano gli insetti hanno bisogno di strumenti in grado di guardare attraverso i loro duri scheletri esterni, rivelano le caratteristiche dei tessuti molli, registrare movimenti lunghi un millesimo di secondo, e mostra dettagli lunghi un milionesimo di metro. Soprattutto, hanno bisogno di catturare come funzionano questi sistemi in tempo reale. I microscopi normali non possono soddisfare molte di queste esigenze.

Ma i raggi X di sincrotrone, prodotti da acceleratori di particelle, Potere. Proprio come i medici usano i raggi X per guardare all'interno dei corpi umani, gli scienziati possono usarli per guardare all'interno dei corpi degli insetti. I raggi X sono particolarmente utili per acquisire immagini di strutture che hanno densità diverse, come apparato boccale e apparato digerente.

Non solo qualsiasi radiografia andrà bene. Gli scienziati non possono controllare abbastanza i normali raggi X per condurre questi esperimenti. Ma le sorgenti luminose della struttura per gli utenti dell'Office of Science producono raggi X straordinariamente potenti che forniscono agli scienziati un controllo molto preciso. Nel caso dell'APS, è sufficiente controllo per guardare dentro un insetto senza vaporizzarlo.

Questi raggi X si spostano in stazioni sperimentali dove gli scienziati conducono studi. Ogni linea di luce APS ha un'ottica a raggi X che può selezionare l'energia dei raggi X e focalizzarla sulla stazione per soddisfare le esigenze degli scienziati. I raggi X si muovono attraverso l'oggetto studiato ed entrano in uno scintillatore, un cristallo specializzato che trasforma i raggi X in luce visibile. Una fotocamera di fascia alta cattura quella luce visibile sul video.

"È come un mondo completamente nuovo rivelato, "ha detto Jake Socha, professore di ingegneria biomeccanica alla Virginia Tech. "Quasi tutto quello che puoi mettere nella trave, stai vedendo quella prospettiva nuova per la prima volta."

Anche per le persone specializzate in macchine a raggi X, la nitidezza delle immagini è sorprendente. Wah-Keat Lee, un ricercatore di raggi X che era all'APS ed è ora all'NSLS-II, un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science, pioniere della tecnica. Descrivendo la prima volta che vide i risultati, Egli ha detto, "La chiarezza delle strutture interne del piccolo insetto era piuttosto fenomenale".

L'APS raggiunge questa chiarezza con un'intensità molto intensa, alta energia, fascio stretto che ha anche un'elevata brillantezza (la quantità di luce che può focalizzare su un luogo particolare in un momento particolare). Come una fotocamera con una velocità dell'otturatore elevata che richiede molta luce, la brillantezza è importante per catturare movimenti estremamente veloci. In un esperimento, gli scienziati hanno catturato video a raggi X a una velocità superiore a 10, 000 fotogrammi al secondo. I film nei cinema commerciali sono in genere 24 fotogrammi al secondo.

"Le sorgenti luminose hanno ancora un enorme vantaggio in termini di velocità, " disse Socha, confrontandoli con altre tecnologie di imaging.

Più importante, le sorgenti luminose possono eseguire immagini a contrasto di fase. Le normali macchine a raggi X si basano sul fatto che gli oggetti densi, come le ossa, assorbono molti raggi X. Quei raggi X non raggiungono il rilevatore e le sezioni dell'immagine risultano scure. Ma gli insetti non hanno niente di denso come le ossa. Di conseguenza, i loro corpi assorbono meno raggi X e non producono un'immagine nitida. L'imaging a raggi X a contrasto di fase risolve questo problema. Anche se gli oggetti leggeri non assorbono molti raggi X, cambiano le loro onde. Poiché i rilevatori a contrasto di fase possono misurare tali cambiamenti, sono più sensibili a leggere differenze di densità rispetto alle macchine tradizionali. Infatti, utilizzando le immagini dell'APS, gli scienziati potrebbero distinguere tra fluidi e aria nel canale alimentare di un insetto.

"Ti porta da un'immagine sfocata di un blob a un'immagine davvero nitida di un insetto, " disse Socia.

Esaminare il funzionamento interno degli insetti

Mentre gli scienziati che studiano oggetti inanimati alle sorgenti luminose devono affrontare una serie di sfide, almeno non devono preoccuparsi che volino via.

Prima che possano occuparsi degli stessi insetti, i ricercatori devono decidere le impostazioni della macchina che si traducono nelle migliori immagini e nel minor danno per gli insetti. Più lunga è la lunghezza d'onda dei raggi X, migliore è il contrasto. Allo stesso modo, più intenso è il raggio, più chiara e chiara è l'immagine. Ma più lunga è la lunghezza d'onda e più intenso è il raggio, più la radiografia danneggia l'insetto. Questo danno può far agire l'insetto in modo innaturale o ucciderlo. (Mentre gli scienziati spesso uccidono gli insetti dopo che lo studio è finito, non vogliono che muoiano a metà.)

Un primo studio che ha testato una varietà di insetti ha scoperto che mentre cinque minuti sotto il raggio non sembravano avere un effetto negativo sulla maggior parte delle specie, più di 20 minuti li paralizzavano temporaneamente. Anche con quella ricerca precedente, i team trascorrono ancora le prime sei-otto ore presso l'APS per decidere le impostazioni dell'esperimento.

"Ci sono un sacco di tentativi ed errori. Non entrerai lì entro mezz'ora dalla configurazione e inizierai a raccogliere dati, " ha detto Matthew Lehnert, un entomologo alla Kent State University.

La prossima sfida consiste nel mantenere fermi i loro soggetti volanti e striscianti.

"Non puoi semplicemente sederti davanti a una trave e dire:'Non ti muovere, '", ha detto Lehnert.

Dopo aver messo fuori combattimento gli insetti usando gas azoto o raffreddandoli, gli scienziati usano tecniche sorprendentemente a bassa tecnologia per fissarli alle piattaforme. Alcuni ricercatori li fissano o li circondano con cotone o plastilina. Gli scienziati che studiano le zanzare le hanno attaccate alla superficie con lo smalto per unghie. Il giornale cita anche il marchio, per altri ricercatori che sperano di riprodurre il lavoro.

"Lo smalto per unghie è un ottimo strumento per il laboratorio, " disse Socia.

Il prossimo passo è motivare gli insetti a eseguire il comportamento desiderato. Per farfalle e zanzare, i ricercatori volevano osservare le loro abitudini alimentari. Ma la normale soluzione di zucchero non apparirà sui raggi X. Gli scienziati hanno lavorato con i membri dello staff dell'APS per scegliere una forma di iodio da mescolare nella soluzione zuccherina che avrebbe creato un'immagine chiara e che le farfalle sarebbero state disposte a mangiare.

Con coleotteri bombardieri, gli scienziati volevano capire come creare, calore, e sparare uno spray liquido a temperature prossime all'ebollizione. Ma i coleotteri non spruzzano a comando. Alcuni hanno spruzzato appena si sono svegliati, sorpreso dal fatto che c'era una radiografia che li esplodeva. Con altri, gli scienziati hanno dovuto colpirli con uno spillo.

Sebbene il processo non sia piacevole per i singoli insetti, ciò che gli scienziati apprendono può aiutarli a comprendere meglio l'intera specie e la sua evoluzione nel suo insieme.

Farfalle e Coleotteri e Zanzare, Oh mio

Le immagini risultanti hanno valso la pena di sperimentare.

Per le farfalle, Monaenkova e i suoi colleghi hanno scoperto che la proboscide si comporta come una combinazione di una spugna e una cannuccia. La struttura spugnosa sulla punta della proboscide crea un'azione capillare, la capacità dei liquidi di fluire verso l'alto senza forza di aspirazione. Ciò aiuta le farfalle ad avviare il processo di assorbimento del liquido dai materiali porosi, piccole gocce, e pozzanghere. Un meccanismo nella testa della farfalla pompa quindi il liquido attraverso la parte simile a una cannuccia della proboscide.

"Senza questo strumento, la ricerca che abbiamo fatto non sarebbe possibile, ", ha detto Monaenkova.

Questa scoperta potrebbe aiutare gli scienziati a sviluppare una nuova tecnologia per strumenti che catturano liquidi o forniscono medicine nel corpo delle persone.

Nel caso delle zanzare, i ricercatori hanno anche scoperto una nuova modalità di alimentazione. Le teste delle zanzare hanno due pompe diverse che aspirano il liquido. Osservando quali parti contenevano del cibo in un dato momento, gli scienziati hanno scoperto quanto ogni pompa ha contribuito al flusso complessivo. Hanno trovato una nuova modalità di suzione 27 volte più potente di quella normale. Ulteriori ricerche in questo settore possono aiutare gli scienziati a capire meglio come le zanzare trasmettono malattie come il virus Zika.

Gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology e dell'Università dell'Arizona che studiano i coleotteri bombardieri volevano monitorare ogni fase della reazione chimica che porta allo spray dei coleotteri. Mappando come si è formato il vapore, allargato, e commosso li ha aiutati a capire come il corpo dello scarabeo controlla il processo.

In ogni caso, l'APS ha rivelato meccanismi che gli scienziati non avevano altro modo di ricercare.

Come ha detto Lee, "Il lavoro che abbiamo svolto qui in realtà ha cambiato i libri di testo".