Battant lentement ses ailes oranges et noires, un papillon monarque sirote du liquide dans une tache de boue. Sa trompe – la pièce buccale qui aspire les liquides – frôle le sol humide. Pendant des années, les biologistes savaient que les papillons aspiraient les liquides des surfaces avec des pores différemment qu'ils ne le font des fleurs. Mais ils n'avaient aucun moyen d'observer ces différences.

"Les biologistes connaissaient ce mode d'alimentation, mais n'avait pas d'outils pour observer ce qui se passait, " a déclaré Daria Monaenkova, qui a étudié ce comportement en tant qu'étudiant diplômé à l'Université de Clemson.

Les microscopes seuls ne pouvaient pas révéler ce que Monaenkova voulait étudier. Mais une technique relativement nouvelle utilisant une radiographie extrêmement puissante s'est avérée être la solution idéale. En utilisant la source de photons avancée du DOE, une installation utilisateur du Bureau des sciences au Laboratoire national d'Argonne, Monaenkova et d'autres chercheurs ont pu prendre des vidéos haute résolution de l'intérieur d'insectes vivants.

Au cours de la dernière décennie, l'APS a été un foyer pour les scientifiques spécialisés dans la biomécanique des insectes pour faire des recherches qu'ils ne peuvent faire nulle part ailleurs. Les scientifiques qui étudient les papillons, les moustiques, et les coléoptères ont utilisé l'APS pour révéler de nouvelles informations sur leur fonctionnement et potentiellement inspirer une technologie basée sur ces fonctions.

Vision réelle aux rayons X

Les scientifiques qui étudient les insectes ont besoin d'outils capables de regarder à travers leurs squelettes externes durs, révéler les caractéristiques des tissus mous, enregistrer des mouvements d'un millième de seconde, et afficher des détails d'un millionième de mètre de long. Surtout, ils doivent saisir le fonctionnement de ces systèmes en temps réel. Les microscopes ordinaires ne peuvent pas répondre à bon nombre de ces besoins.

Mais les rayons X synchrotron, qui sont produits par les accélérateurs de particules, pouvez. Tout comme les médecins utilisent les rayons X pour regarder à l'intérieur du corps humain, les scientifiques peuvent les utiliser pour regarder à l'intérieur des corps d'insectes. Les rayons X sont particulièrement utiles pour prendre des images de structures qui ont des densités différentes, comme les pièces buccales et le système digestif.

Pas n'importe quelle radiographie fera l'affaire. Les scientifiques ne peuvent pas contrôler suffisamment les faisceaux de rayons X réguliers pour mener ces expériences. Mais les sources lumineuses de l'installation des utilisateurs de l'Office of Science produisent des rayons X extraordinairement puissants qui offrent aux scientifiques un contrôle très fin. Dans le cas de l'APS, c'est assez de contrôle pour regarder à l'intérieur d'un insecte sans le vaporiser.

Ces rayons X se déplacent dans des stations expérimentales où les scientifiques mènent des études. Chaque ligne de lumière APS est dotée d'une optique à rayons X qui peut sélectionner l'énergie des rayons X et la focaliser sur la station pour répondre aux besoins des scientifiques. Les rayons X traversent l'objet étudié et pénètrent dans un scintillateur, un cristal spécialisé qui transforme les rayons X en lumière visible. Une caméra haut de gamme capture cette lumière visible en vidéo.

"C'est comme un tout nouveau monde révélé, " a déclaré Jake Socha, professeur de génie biomécanique à Virginia Tech. "Presque tout ce que vous pouvez mettre dans la poutre, vous voyez cette perspective nouvelle pour la première fois."

Même pour les spécialistes des appareils à rayons X, la clarté des images est surprenante. Wah-Keat Lee, un chercheur en rayons X qui était à l'APS et est maintenant au NSLS-II, une autre installation utilisateur Office of Science, pionnier de la technique. Décrivant la première fois qu'il a vu les résultats, il a dit, "La clarté des structures internes du petit insecte était assez phénoménale."

L'APS atteint cette clarté avec une très intense, haute énergie, faisceau étroit qui a également une brillance élevée (la quantité de lumière qu'il peut focaliser sur un endroit particulier à un moment particulier). Comme un appareil photo avec une vitesse d'obturation élevée qui nécessite beaucoup de lumière, la brillance est importante pour capturer des mouvements extrêmement rapides. Dans une expérience, les scientifiques ont capturé des vidéos aux rayons X à un taux de plus de 10, 000 images par seconde. Les films dans les cinémas commerciaux sont généralement de 24 images par seconde.

"Les sources lumineuses ont encore un énorme avantage en vitesse, " dit Socha, en les comparant à d'autres technologies d'imagerie.

Plus important encore, les sources lumineuses peuvent faire de l'imagerie en contraste de phase. Les appareils à rayons X normaux reposent sur le fait que les objets denses, comme les os, absorbent beaucoup de rayons X. Ces rayons X n'atteignent pas le détecteur et des sections de l'image ressortent sombres. Mais les insectes n'ont rien d'aussi dense que les os. Par conséquent, leur corps absorbe moins de rayons X et ne produira pas une image nette. L'imagerie par rayons X en contraste de phase résout ce problème. Même si les objets légers n'absorbent pas beaucoup de rayons X, ils changent leurs vagues. Étant donné que les détecteurs à contraste de phase peuvent mesurer ces changements, elles sont plus sensibles aux légères différences de densité que les machines traditionnelles. En réalité, en utilisant les images de l'APS, les scientifiques pouvaient faire la distinction entre les fluides et l'air dans le canal alimentaire d'un insecte.

"Cela vous fait passer d'une image floue d'une goutte à une image très nette d'un insecte, " a déclaré Socha.

Examiner le fonctionnement interne des insectes

Alors que les scientifiques qui étudient des objets inanimés à des sources lumineuses doivent faire face à un certain nombre de défis, au moins, ils n'ont pas à s'inquiéter qu'ils s'envolent.

Avant de pouvoir s'occuper des insectes eux-mêmes, les chercheurs doivent décider des réglages de la machine qui permettent d'obtenir les meilleures images et le moins de dommages aux insectes. Plus la longueur d'onde des rayons X est longue, meilleur est le contraste. De la même manière, plus le faisceau est intense, plus l'image est lumineuse et claire. Mais plus la longueur d'onde est longue et plus le faisceau est intense, plus les rayons X endommagent l'insecte. Ces dommages peuvent faire agir l'insecte de manière anormale ou le tuer. (Alors que les scientifiques tuent souvent les insectes une fois l'étude terminée, ils ne veulent pas qu'ils meurent en cours de route.)

Une première étude qui a testé une variété d'insectes a révélé que si cinq minutes sous le faisceau ne semblaient pas avoir d'effet négatif sur la plupart des espèces, plus de 20 minutes les ont temporairement paralysés. Même avec ces recherches antérieures, les équipes passent encore leurs six à huit premières heures à l'APS pour décider des paramètres de leur expérience.

"Il y a beaucoup d'essais et d'erreurs. Vous n'allez pas y aller dans la demi-heure suivant la configuration et commencer à collecter des données, " a déclaré Matthieu Lehnert, un entomologiste à la Kent State University.

Le prochain défi consiste à garder leurs sujets volants et rampants immobiles.

"Vous ne pouvez pas simplement vous asseoir devant une poutre et dire, 'Ne bouge pas, '", a déclaré Lehnert.

Après avoir assommé les insectes à l'aide d'azote gazeux ou en les refroidissant, les scientifiques utilisent des techniques étonnamment rudimentaires pour les attacher aux plates-formes. Certains chercheurs les épinglent ou les entourent de coton ou de pâte à modeler. Les scientifiques qui étudient les moustiques les ont attachés à la surface avec du vernis à ongles. Le journal cite même la marque, pour d'autres chercheurs qui espèrent reproduire le travail.

"Le vernis à ongles est un excellent outil pour le laboratoire, " a déclaré Socha.

La prochaine étape consiste à motiver les insectes à adopter le comportement souhaité. Pour les papillons et les moustiques, les chercheurs ont voulu observer leurs habitudes alimentaires. Mais la solution de sucre normale n'apparaîtra pas sur la radiographie. Les scientifiques ont travaillé avec les membres du personnel de l'APS pour choisir une forme d'iode qu'ils pourraient mélanger à la solution de sucre qui créerait à la fois une image claire et les papillons seraient prêts à manger.

Avec les scarabées bombardiers, les scientifiques voulaient comprendre comment ils peuvent créer, Chauffer, et tirer un spray liquide à des températures proches de l'ébullition. Mais les coléoptères ne pulvérisent pas sur commande. Certains ont pulvérisé dès qu'ils se sont réveillés, surpris par le fait qu'il y avait un rayon X les explosant. Avec les autres, les scientifiques devaient les piquer avec une épingle.

Bien que le processus ne soit pas agréable pour les insectes individuels, ce que les scientifiques apprennent peut les aider à mieux comprendre l'espèce entière et son évolution dans son ensemble.

Papillons et coléoptères et moustiques, Oh mon

Les images résultantes ont fait que l'expérimentation en valait la peine.

Pour les papillons, Monaenkova et ses collègues ont découvert que la trompe agit comme une combinaison d'éponge et de paille. La structure en forme d'éponge à l'extrémité de la trompe crée une action capillaire, la capacité des liquides à s'écouler vers le haut sans force d'aspiration. Cela aide les papillons à commencer le processus d'absorption du liquide des matériaux poreux, petites gouttelettes, et des flaques d'eau. Un mécanisme dans la tête du papillon pompe ensuite le liquide à travers la partie en forme de paille de la trompe.

« Sans cet outil, la recherche que nous avons faite ne serait pas possible, " a déclaré Monaenkova.

Cette découverte pourrait aider les scientifiques à développer de nouvelles technologies pour des outils qui capturent des liquides ou délivrent des médicaments dans le corps des gens.

Dans le cas des moustiques, les chercheurs ont également découvert un nouveau mode d'alimentation. Les têtes des moustiques ont deux pompes différentes qui aspirent le liquide. En regardant quelles parties contenaient de la nourriture à un moment donné, les scientifiques ont déterminé dans quelle mesure chaque pompe contribuait au débit global. Ils ont trouvé un nouveau mode de succion 27 fois plus puissant que le mode normal. D'autres recherches dans ce domaine pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre comment les moustiques transmettent des maladies comme le virus Zika.

Les scientifiques du Massachusetts Institute of Technology et de l'Université de l'Arizona qui étudient les scarabées bombardiers voulaient suivre chaque étape de la réaction chimique qui conduit à la pulvérisation des scarabées. Cartographier la formation de la vapeur, étendu, et déplacés les a aidés à comprendre comment le corps du scarabée contrôle le processus.

Dans tous les cas, l'APS a révélé des mécanismes que les scientifiques n'avaient aucun autre moyen de rechercher.

Comme Lee l'a dit, "Le travail que nous avons fait ici a en fait changé les manuels."