Fotonička Karakterizacija Kutikularnih Struktura Odabranih Vrsta Coleoptera I Lepidoptera

UNIVERZITET U BEOGRADU

BIOLOŠKI FAKULTET

Danica Z. Pavlović

FOTONIČKA KARAKTERIZACIJA KUTIKULARNIH STRUKTURA ODABRANIH VRSTA COLEOPTERA I LEPIDOPTERA

Doktorska disertacija

Beograd, 2019. UNIVERSITY OF BELGRADE

FACULTY OF BIOLOGY

Danica Z. Pavlović

PHOTONIC CHARACTERIZATION OF CUTICULAR STRUCTURES OF SELECTED SPECIES OF COLEOPTERA AND LEPIDOPTERA

Doctoral Dissertation

Belgrade, 2019 Mentori:

Dr Srećko Ćurčić, redovni profesor Institut za zoologiju, Univerzitet u Beogradu - Biološki fakultet

Dr Dejan Pantelić, naučni savetnik Centar za fotoniku, Institut za fiziku, Univerzitet u Beogradu

Članovi komisije:

Dr Srećko Ćurčić, redovni profesor Institut za zoologiju, Univerzitet u Beogradu - Biološki fakultet

Dr Dejan Pantelić, naučni savetnik Centar za fotoniku, Institut za fiziku, Univerzitet u Beogradu

Dr Dejan V. Stojanović, naučni saradnik Univerzitet u Novom Sadu - Institut za nizijsko šumarstvo i životnu sredinu

Datum odbrane doktorske disertacije: _____._____.2019. Zahvalnica

Ova doktorska disertacija nastala je uz finansijsku podršku Ministarstva prosvete, nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije i projekta „Generisanje i karakterizacija funkcionalnih nanofotonskih struktura u biomedicini i informatici“(evidencioni broj III 45016). Iako je potpisuje jedan autor, ona je rezultat timskog rada kolega iz Centra za fotoniku Instituta za fiziku Univerziteta u Beogradu i Instituta za zoologiju Univerziteta u Beogradu - Biološkog fakulteta, ali i naših saradnika iz drugih institucija. Stoga, svojim dragim kolegama iz Vojnotehničkog instituta i Vojne akademije Univerziteta odbrane u Beogradu, Univerziteta u Beogradu - Instituta za biološka israživanja “Siniša Stanković” i Instituta za anatomiju Univerziteta u Beogradu - Medicinskog fakulteta želim da se zahvalim, između ostalog, na divnoj saradnji i želji da učestvuju u jednom ovakvom multidisciplinarnom istraživanju.

Posebno se zahvaljujem dr Dejanu Stojanoviću sa Univerziteta u Novom Sadu - Instituta za nizijsko šumarstvo i životnu sredinu na njegovom entuzijazmu i pozitivnoj energiji, insektima koje je za nas sakupio i svim korisnim sugestijama tokom izrade ove disertacije.

Ogromnu zahvalnost dugujem prof. dr Srećku Ćurčiću na ukazanoj prilici i želji da mi bude mentor, razumevanju, pomoći i svim savetima na putu do zajedničkog cilja.

Svoju matičnu, naučnu kuću, Institut za fiziku Univerziteta u Beogradu, i najbliži krug saradnika, moje fotoničare, ostavila sam za kraj. U ovakvim zahvalnicama se na kraju obično zahvaljuje porodici, a oni su moja porodica. Hvala vam na divnoj radnoj atmosferi, poverenju, savetima i znanju. Privilegija je i zadovoljstvo raditi sa vama.

Posebnu, neizrecivu zahvalnost želim da iskažem čoveku koji mi je pružio najveću pomoć, podršku i znanje tokom nekoliko godina rada na ovoj tezi – dr Dejanu Panteliću, svom mentoru i naučnom ocu.

Ovaj tekst posvećujem svojoj voljenoj porodici i prijateljima.

Autor

FOTONIČKA KARAKTERIZACIJA KUTIKULARNIH STRUKTURA ODABRANIH VRSTA COLEOPTERA I LEPIDOPTERA

Sažetak

Fotonske strukture predstavljaju mikronske i submikronske tvorevine, koje interaguju sa elektromagnetnim zračenjem, produkujući različite optičke efekte. Insekti iz redova Coleoptera i Lepidoptera su na površini svojih tela razvili različite fotonske strukture, koje imaju važnu ulogu u njihovoj biologiji i ekologiji.

Ciljevi ove studije usmereni su na morfološku i optičku karakterizaciju kutikularnih fotonskih struktura odabranih vrsta pomenutih redova insekata. Ispitivana su svojstva navedenih struktura u vidljivom i infracrvenom delu spektra elektromagnetnog zračenja. Optičko-morfološka karakterizacija je izvršena koristeći savremene mikroskopske i spektroskopske tehnike, mikrotomografiju i infracrvene kamere. Fizički mehanizmi i način na koji dolazi do produkcije optičkih efekata analizirani su odgovarajućim matematičkim modelima. Na osnovu dobijenih rezultata, utvrdili smo vezu između morfologije i fizičkih mehanizama koji dovode do nastanka širokopojasnih refleksionih struktura na krilima moljca Diachrysia chrysitis i leptira Issoria lathonia. Ovakvi složeni optički efekti omogućavaju efikasnu zaštitu od predatora kamuflažom kontura tela ili slanjem obmanjujućeg refleksionog signala. Ustanovili smo prisustvo dva različita tipa talasovodnih struktura na krilima moljca Jordanita globulariae i pokrilcima balegara Hoplia argentea. Ova dva tipa morfološki različitih struktura, koristeći slične fizičke mehanizme, produkuju strukturnu, zaštitnu ili upozoravajuću obojenost, kod dve navedene vrste insekata. Fotonske strukture strižibuba Rosalia alpina i Morimus asper funereus obezbeđuju ovim taksonima kamuflažu unutar preferentnog tipa staništa, ali i održanje temperaturne ravnoteže radijativnom razmenom toplote sa okolinom.

Prirodne fotonske strukture predstavljaju nepresušni izvor inspiracija za različite tehnološke primene. Naveli smo nekoliko mogućih biomimetičkih i drugih primena konkretno ispitivanih fotonskih struktura insekata. Ključne reči: biofotonika, insekti, morfologija, strukturna obojenost, iridescencija, rasejanje, kamuflaža, aposemija, termoregulacija, biomimetika

Naučna oblast: Biologija

Uža naučna oblast: Entomologija, Biofotonika

PHOTONIC CHARACTERIZATION OF CUTICULAR STRUCTURES OF SELECTED SPECIES OF COLEOPTERA AND LEPIDOPTERA

Abstract

Photonic structures represent micron and submicron architectures, which interact with electromagnetic radiation, producing different optical effects. Insects of the orders Coleoptera and Lepidoptera developed diverse photonic structures on their bodies that play an important role in their biology and ecology.

The aims of this study are focused on the morphological and optical characterization of cuticular photonic structures of the selected species of the abovementioned insect orders. Features of the structures are examined in the visible and the infrared parts of the electromagnetic spectra. Optical-morphological characterization was performed using modern microscopic and spectroscopic techniques, microtomography and infrared cameras. Physical mechanisms and the way in which optical effects are produced were analyzed by appropriate mathematical models.

Based on the obtained results, we have established a relation between morphology and physical mechanisms that lead to the formation of broadband reflective structures on the wings of the moth Diachrysia chrysitis and the butterfly Issoria lathonia. Such complex optical effects provide effective protection against predators, hiding oneself by breaking up the body contours or sending a misleading signal with disruptive coloration. We have found two different types of optical waveguide structures on the wings of the moth Jordanita globulariae and elytra of the dung beetle Hoplia argentea. These two morphologically different structures, using similar physical mechanisms, produce structural, protective or warning coloration of the two abovementioned insect species. Photonic structures of the longhorn beetles Rosalia alpina and Morimus asper funereus provide camouflage within preferred habitat types, but also enable radiative heat exchange and temperature balance maintenance.

Natural photonic structures represent an inexhaustible source of inspiration for different technological applications. We have presented several possible biomimetic and other applications of the here analyzed photonic structures of insects. Key words: biophotonics, insects, morphology, structural coloration, iridescence, scattering, camouflage, aposematism, thermoregulation, biomimetics

Scientific field: Biology

Scientific subfield: Entomology, Biophotonics

SADRŽAJ

1. UVOD ...... 1 1.1 Elektromagnetno zračenje i optički spektar ...... 3 1.1.1 Priroda elektromagnetnog zračenja ...... 3 1.1.2 Priroda percepcije optičkih talasa ...... 6 1.2 Nastanak obojenosti u životinjskom svetu ...... 8 1.3 Fizička osnova nastanka strukturne obojenosti ...... 10 1.3.1 Interferencija na tankim filmovima ...... 10 1.3.2 Difrakcija svetlosti na periodičnim strukturama tipa rešetke ...... 12 1.3.3 Selektivno rasejanje na česticama različitih dimenzija...... 14 1.4 Uloga obojenosti kod životinja ...... 16 1.4.1 Uloga obojenosti kod insekata ...... 18 1.5 Fotonske strukture u živom svetu, sa posebnim osvrtom na insekte ...... 19 1.6 Svetlosni talasovodi ...... 22 1.7 Osnovne odlike redova Coleoptera i Lepidoptera ...... 23 1.8 Kutikula i kutikularne tvorevine kod Coleoptera i Lepidoptera ...... 24 1.9 Biomimetika i bioinspiracija ...... 31 2. CILJEVI RADA ...... 32 3. MATERIJAL I METODE ...... 33 3.1 Prikupljanje, konzerviranje i skladištenje jedinki insekata ...... 33 3.2 Studirani taksoni insekata ...... 33 3.3 Analize i priprema uzoraka ...... 40 3.3.1 Mikroanalize...... 40 3.3.1.1 Svetlosna mikroskopija i spektroskopija ...... 40 3.3.1.2 Kompjuterizovana mikrotomografija ...... 41 3.3.1.3 Skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM) ...... 41 3.3.1.4 Nelinearna mikroskopija (NLM) ...... 42 3.3.2.1 IC kamere ...... 44 3.3.2.2 FTIR spektroskopija ...... 44 3.4 Matematički modeli ...... 45

4. REZULTATI ...... 46 4.1 Širokopojasne refleksione strukture na krilima Lepidoptera ...... 46 4.1.1 Morfološke karakteristike krila i krilnih ljuspica studiranih vrsta Lepidoptera ...... 46 4.1.2 Optičke karakteristike krila i krilnih ljuspica studiranih vrsta Lepidoptera . 51 4.1.3 Teorijsko objašnjenje mehanizama produkcije obojenosti studiranih vrsta Lepidoptera ...... 55 4.2 Prirodni svetlosni talasovodi kutikule Lepidoptera i Coleoptera ...... 62 4.2.1 Morfološka i optička analiza kutikularnih struktura J. globulariae ...... 62 4.2.2 Morfološka i optička analiza kutikularnih struktura H. argentea ...... 67 4.2.3 Optički modeli krila Lepidoptera, pokrilaca Coleoptera i ljuspica ...... 72 4.3 Doprinos fotonskih kutikularnih struktura radijativnoj termalnoj regulaciji Coleoptera ...... 76 4.3.1 Fotonske strukture na pokrilcima: morfološko-optička karakterizacija ...... 76 4.3.2 Merenje i modelovanje termalnih osobina pokrilaca ...... 84 4.3.3 Doprinos kutikularnih struktura pokrilaca apsorpciji vidljivog dela spektra i emisiji IC zračenja ...... 89 5. DISKUSIJA ...... 95 5.1 Biološka uloga širokopojasnih refleksionih struktura Lepidoptera ...... 95 5.2 Prirodni svetlosni talasovodi kutikule Lepidoptera i Coleoptera produkuju kamuflažnu ili signalnu obojenost ...... 101 5.3 Doprinos fotonskih kutikularnih struktura radijativnoj termalnoj regulaciji Coleoptera ...... 106 6. ZAKLJUČCI ...... 111 7. LITERATURA ...... 113 8. BIOGRAFIJA ...... 137

1. UVOD

Fotonika je naučna oblast fizike koja se bavi generisanjem, detekcijom i manipulacijom svetlosti. Smatra se dominatnom tehnologijom novog milenijuma, koja koristi fotone, umesto elektrona, za prenos, obradu i čuvanje podataka ili za fizičko modifikovanje materijala [1].

Posebna grana fotonike je biofotonika, koja se bavi interakcijom svetlosti (optičkog talasa) i biološke materije. Biologija i fotonika, ujedinjene u novu disciplinu, međusobno se unapređuju. U biološkim istraživanjima koriste se različite metode i tehnike za izučavanje anatomije i morfologije bioloških struktura ili mehanizama različitih bioloških procesa. Ove instrumentalne tehnike obezbeđuje upravo fotonika [2]. Najveći doprinos fotonike biomedicini je u oblasti razvoja optičkih dijagnostika i terapija baziranih na svetlosti, koje omogućavaju ranu detekciju i lečenje bolesti. Takođe, biologija unapređuje fotoniku s obzirom da biomaterijali predstavljaju veliku inspiraciju u razvoju novih fotoničkih materijala za tehnološke primene [3].

Vizuelna detekcija svetlosti u opsegu talasnih dužina od ~ 380-760 nm omogućava čoveku da dobije vitalne informacije o svom okruženju, poput oblika, veličine i boje. Većina boja oko nas proizilazi iz selektivne apsorpcije pigmenata inkorporiranih u površine tela ili objekata. Ipak, posebno intenzivne i sjajne boje nastaju kao rezultat refleksije ili rasejanja svetlosti na mikro- i nanostrukturama različite kompleksnosti. Tokom ovakvih interakcija dolazi do pojave interferencije, koja tipično rezultira u pojačanoj refleksiji jednih i smanjenoj refleksiji drugih talasnih dužina. Ovako nastale boje se nazivaju “strukturnim”, a strukture koje, modifikacijom svetlosti, uzrokuju nastanka ovih boja su tzv. fotonske strukture. To su pravilne strukture sa periodičnošću reda veličine talasne dužine svetlosti [4]. Osim uloge u davanju obojenosti u vidljivom delu spektra, fotonske strukture mogu imati ulogu i u ultraljubičastom (UV) i infracrvenom (IC) delu spektra. Premda neke vrste životinja imaju sposobnost viđenja u delu UV spektra [5], ovakve strukture najčešće doprinose zaštiti od visokoenergetskog zračenja [6], dok u IC delu spektra učestvuju u održanju termalnog balansa organizama [7].

Od davnina su prirodne fotonske (optičke) strukture privlačile pažnju i fascinirale prirodnjake, naučnike i umetnike [8-10] (npr. boja neba, kristala, cvetova, insekata). Poslednjih godina naše razumevanje uloge ovih mikro- i nanostruktura je sve veće, zahvaljujući razvoju različitih tipova mikroskopija i spektroskopija. Ove tehnike omogućuju da se veoma detaljno istraže jedinstvene optičke, morfološke i druge karakteristike navedenih struktura, koje su evoluirale u prirodi milionima godina [11].

Fotonske strukture obimno su istraživane kod životinja [4] dok su kod drugih taksona manje zastupljene i proučavane [12-14]. Fotonske strukture obimno su istraživane kod životinja [4] dok su kod drugih taksona manje zastupljene i proučavane [12-14]. Od svih životinja, beskičmenjaci poseduju najširi opseg fotonskih struktura [11]. Za insekte se može reći da su pravi optički inženjeri; ne samo da kutikula može da im bude obojena raznim pigmentima, već može da im kutikula bude modelovana raznovrsnim mikrostrukturama koje produkuju intenzivne strukturne boje i druge efekte [15]. Najveći deo trenutnih saznanja, koja se tiču mehanizama nastanka iridescentnih struktura, potiče iz istraživanja na insektima [16].

U ovoj studiji smo istraživali optička, morfološka i termalna svojstva fotonskih kutikularnih struktura odabranih vrsta insekata, koje se uglavnom nalaze na njihovim krilima. Istraživanje se fokusiralo na određene vrste dva najveća insekatska reda, tvrdokrilce (Coleoptera) i leptire/moljce (Lepidoptera). Najveći broj insekata koji je razvio fotonske strukture na svojim telima pripada upravo ovim redovima. Ispitivali smo morfologiju i optičke karakteristike ljuspica, dlačica i krila koje poseduju mikro- i nanoelemente, koji, interagujući sa svetlošću, produkuju upečatljive boje u živom svetu ili imaju neka druga svojstva, poput visoke emisivnosti ili hidrofilnosti. Biolozi i fizičari su u međusobnoj saradnji pokazali da su takve strukture od životne važnosti insektima jer utiču na biologiju i ekologiju datih vrsta. Fotonske strukture na njihovim telima omogućavaju intra- i interspecijsku komunikaciju (zastrašivanje predatora, pronalaženje partnera, rituali udvaranja i dr.) [11], kamuflažu [17], mimikriju [18], termoregulaciju [19], UV zaštitu [20] ili hidrataciju [21]. Osim toga, ovakve strukture su inspiracija za različite biomimetičke primene, npr. u tehnologiji, kozmetičkoj ili tekstilnoj industriji [22-24] .

1.1 Elektromagnetno zračenje i optički spektar

1.1.1 Priroda elektromagnetnog zračenja

Sa gledišta savremene fizike, elektromagnetno (EM) zračenje ima dualnu, tj. čestično-talasnu prirodu. Sa jedne strane, ono predstavlja protok energije u formi elektromagnetnih oscilacija koje se prostiru kao talas. Istovremeno, moderna kvantna teorija daje i opis čestične prirode elektromagnetnog zračenja kao paketa energije nazvanih fotoni ili kvanti [25].

talasna dužina vrh

amplituda

vreme (t)

dolja frekvencija

Slika 1. Šematski prikaz osnovnih karakteristika talasa

Najvažnije karakteristike elektromagnetnih talasa su (Sl. 1) [25, 26]: - talasna dužina (λ) – rastojanje između dva sukcesivna vrha (ili dolje) talasa;

- frekvencija (ν) – broj oscilacija talasa u jedinici vremena;

- amplituda talasa (A) – maksimalno rastojanje talasa od ravnotežnog položaja;

- brzina prostiranja (c) – brzina prostiranja elektromagnetnog talasa u vakuumu; praktično je jednaka brzini svetlosti i iznosi ~ 3 * 108 m/s.

Između talasne dužine, frekvencije i brzine prostiranja talasa postoji fizička veza koja se matematički izražava:

(1.1)

Osobine EM zračenja zavise od njegove talasne dužine ili frekvencije. U tom smislu, ono se deli na mikrotalasno, radiotalasno, infracrveno (IC), vidljivo, ultraljubičasto (UV), rendgensko (“x”) i gama zračenje. Čitav opseg talasnih dužina elektromagnetnog zračenja naziva se EM spektar (Sl. 2). Najčešće se talasna dužina izražava u µm (1 µm = 10-6 m). Zemljina atmosfera nije propusna za čitav EM spektar, već samo za njegove određene delove, koji se nazivaju atmosferskim prozorima. Postoji optički atmosferski prozor (~ 300-1100 nm), kao i prozori u IC delu spektra (~ 3-5 µm i 8-14 µm), mikrotalasnom delu spektra (~ 7,5-11 mm) i delu spektra radio talasa (~ 1 cm - 11 m). Ostatak EM zračenja je apsorbovan u atmosferi [27].

Region od dalekog infracrvenog do vakuum ultraljubičastog dela spektra čini region optičkih talasa (engl. “optic wave region”), dok se termin “svetlost” uobičajeno odnosi samo na vidljivi deo spektra (VIS). UV zračenje obuhvata deo spektra od ~ 280- 380 nm, vidljivi deo spektra je od ~ 380-760 nm, dok IC zračenje obuhvata deo spektra od ~ 760 nm - 100 µm [3].

Talasna dužina

0,0001 nm 0,01 nm 10 nm 1µm 0,01 cm 1 cm 1 m 100 m

gama zraci X zraci UV IC radio talasi

vidljivi deo spektra

400 nm 500 nm 600 nm 700 nm

Slika 2. Elektromagnetni spektar

Brzina EM talasa u nekom medijumu (v) je manja u poređenju sa brzinom propagacije kroz vakuum (c). Odnos ovih dveju brzina naziva se indeks prelamanja (n) datog medijuma [28]: (1.2)

Jedna od važnih talasnih osobina EM zračenja je koherencija. EM talasi su koherentni ako različite tačke koje ih čine osciluju na isti način. Ova osobina je preduslov da bismo mogli da vidimo tzv. interferenciju – pojavu slaganja dva ili više talasa [29]. Ukoliko su dva talasa u fazi (tj. vrh i dolja jednog talasa se poklapaju sa vrhom i doljom drugog talasa), talasi konstruktivno interferiraju jedan sa drugim. To dovodi do povećanja amplitude (intenziteta talasa), a time i povećanja intenziteta zračenja. Sa druge strane, ako talasi nisu u fazi (vrhovi i dolje talasa se ne poklapaju) njihove amplitude se oduzimaju usled destruktivne interferencije. To dovodi do značajnog slabljenja ili potpunog gašenja intenziteta zračenja [3].

Pored interferencije, važnu osobinu EM talasa predstavlja i difrakcija. Pod ovim fenomenom se podrazumeva savijanje talasa kada naiđe na prepreku. Iako je difrakcija sveprisutna, njene praktične implikacije su najočiglednije kada se ovaj fenomen ispoljava na prostornoj skali talasne dužine EM zračenja [3].

Još neke od osobina prostiranja elektromagnetnih talasa su:

- refrakcija (prelamanje) – promena pravca kretanja talasa usled nailaska na sredinu različite optičke gustine [30]; - refleksija (odbijanje) – promena pravca talasa na graničnoj površini između dva različita medijuma, tako da se talas vraća u medijum iz kojeg dolazi [31]; - disperzija (raspršivanje) – razlaganje talasa po učestanostima, talasnim dužinama ili energijama. Nastaje usled zavisnosti indeksa prelamanja od talasne dužine (frekvencije) svetlosti koja se prostire kroz datu sredinu [26]; - apsorpcija (upijanje) – pojava transformacije elektromagnetne energije u unutrašnju, na primer toplotnu [26].

1.1.2 Priroda percepcije optičkih talasa

Deo elektromagnetnog spektra od ~380-760 nm čovek percipira vizuelnim sistemom, te se ovaj deo spektra naziva “vidljiva svetlost”. Različiti spektri u okviru ovog opsega tumače se kao različite boje. Drugi delovi optičkog talasa (UV i IC) su za čoveka i druge sisare nevidljivi, ali ih percipiraju na drugi način (npr. termoreceptori u koži percipiraju IC zračenje kao toplotu) [32].

Do percepcije boja kod čoveka dolazi stimulacijom fotoreceptornih ćelija, a zatim se primljeni signal nervnim sistemom transportuje, obrađuje i tumači kao određena boja. U zavisnosti od talasne dužine, ljudski vizuelni sistem razlikuje ljubičasti (350-455 nm), plavi (455-492 nm), zeleni (492-577 nm), žuti (577-597 nm), narandžasti (597-622 nm) i crveni (622-770 nm) deo spektra [33]. Prosečan čovek je sposoban da razlikuje oko deset miliona varijacija u tom rasponu boja. Postoji nekoliko različitih sistema za karakterizaciju i klasifikaciju boja. Najčešće korišćen sistem je definisan od strane “International Commission on Illumination” (CIE). Ovaj sistem karakterizacije boja je validan samo za ljudski vid. Dakle, baziran je na trihromatskom viđenju i psiho-fiziološkom aspektu ljudske percepcije boja. Drugi životinjski vizuelni sistemi imaju drugačiju spektralnu senzitivnost (vide u pomerenom opsegu talasnih dužina u odnosu na čoveka), a neke životinje takođe mogu da vide i polarizovanu svetlost [34].

Svetlosni izvor, objekat i posmatrač su činioci sistema za opažanje boja. Modifikacija bilo kojeg od navedenih činilaca dovešće do promene u percepciji. S obzirom da boja zavisi i od karakteristika samog objekta i percepcije posmatrača [5], može se reći da je determinisana subjektivnim osećajem (karakteristikama posmatračevih vizuelnih receptora) i objektivnim fizičkim karakteristikama reflektovane svetlosti i orijentacije obojene strukture [33, 35].

Realna boja predmeta zavisi i od toga da li posmatrač ima odgovarajuće receptore boja. Različite životinje imaju različite receptorne ćelije za boje. One koje nemaju sposobnost viđenja boja mogu detektovati razliku u sjajnosti.

Dnevne vrste ptica imaju veći broj receptornih ćelija za boju od noćnih. Većina sisara razlikuje manji broj tipova boja u odnosu na ljude [33]. Neke životinje mogu da percipiraju tzv. „nevidljive boje“. Insekti, na primer, imaju sposobnost registrovanja dela ultraljubičastog zračenja [5]. Vizuelni spektar insekata je celokupno pomeren ka kraćim talasnim dužinama, od oko 300 nm u UV delu do 700 nm u žuto-narandžastom delu spektra. To znači da većina insekata ne vidi crvenu boju [36]. Veliki broj insekata poseduje bihromatski vid i ima ograničeno viđenje boja. Pčele, bumbari i mnogi dnevni leptiri poseduju pravi kolorni vid. Najviše istraživanja je rađeno na pčelama, za koje je utvrđeno da imaju trihromatski vid [37]. Ovi insekti imaju tri tipa kupastih fotoreceptornih ćelija sa apsorpcionim maksimumom na 360 nm (UV deo spektra), 440 nm (plavo-ljubičasti deo spektra) i 588 nm (žuti deo spektra). Trihromatski insekti mogu da percipiraju kompletan spektar boja (unutar njihovog spektralnog opsega). Takođe, poznato je da neke vrste dnevnih leptira imaju tetra-, pa i pentahromatski vid i u stanju su da registruju crveni deo spektra [38, 39]. Ipak, najveći broj insekata pokazuje tri maksimuma optičke spektralne senzitivnosti, po jedan u UV, plavom i žutom delu spektra.

Osim u vidljivom delu spektra, za živa bića veoma je važna senzitivnost i u drugim delovima optičkog spektra. UV (~ 300-380 nm) i IC (~ 760 nm - 3 µm) zračenje od suštinske su važnosti za život na Zemlji [40].

Insekti, ptice i gmizavci poseduju vizuelni sistem koji je osetljiv u UV delu spektra, što im je vrlo važno u prepoznavanju [41, 42]. Ostali organizmi ovaj spektar zračenja percipiraju posredno, preko njegovog hemijskog uticaja (npr. UV deo spektra uslovljava proizvodnju vitamina D, dovodi do promena u genetskom materijalu ćelija ili izaziva opekotine na koži) [43].

IC zračenje (u užem smislu toplotno zračenje) je veoma važno za održavanje termičkog balansa organizama. IC radijacija dolazi do organizama koju oni percipiraju termoreceptorima i oni je apsorbuju (upijaju je) [44]. Istovremeno, organizmi i emituju (otpuštaju) IC radijaciju. Na taj način se zagrevaju, odnosno hlade.

Sva tela temperature iznad apsolutne nule emituju IC zračenje (tzv. toplotno zračenje). Istovremeno, tela apsorbuju elektromagnetno zračenje u određenoj meri [44].

Kada se telo nalazi u termičkoj ravnoteži, količina energije koju je apsorbovalo biće jednaka emitovanoj energiji, što je definisano Kirhofovim zakonom. Spektar i intenzitet emitovanog zračenja zavise isključivo od temperature tela. Ovo je određeno Plankovim zakonom [45]. Što je temperatura tela viša, spektralni emisioni maksimum se pomera ka kraćim talasnim dužinama. Zato tela na sobnoj temperaturi najvećim delom emituju zračenje u IC delu spektra, a Sunce, temperature 6000 K, ima maksimum emisije u vidljivom delu spektra [46].

U kontekstu ove teze, biće reči o percepciji u vidljivom delu spektra (uloga obojenosti) i IC delu spektra (uloga u održanju termalnog balansa). S obzirom da fotonske strukture najvećim delom funkcionišu u vidljivom delu spektra, nekoliko narednih poglavlja biće posvećeno obojenosti u životinjskom svetu.

1.2 Nastanak obojenosti u životinjskom svetu

Tri su osnovna načina kako životinje produkuju obojenost: bioluminiscencijom pigmentima ili strukturno [35]. Bioluminiscencija je poznata kao „hladna svetlost“ i nastaje kao rezultat biohemijske reakcije [47]. Mali broj vrsta životinja poseduje ovaj aktivan način produkcije obojenosti [48-50].

Većina životinjskih boja potiče od pigmenata. Pigmentne boje zavise od hemijske strukture materijala u kojem se nalaze [51]. Pigmentna obojenost nastaje na principu selektivne apsorpcije određenih talasnih dužina vidljivog dela spektra. Pigmentno obojeni objekti ispoljavaju boju koja je komplementarna boji koja je dominantno apsorbovana, odnosno boju onog dela spektra koji je reflektovan [41]. Postoje pigmenti koje životinje same proizvode (npr. kod insekata melanini, pterini, omohromi, papiliohromi, pterobilini) i oni koje unesu hranom (karotenoidi i flavonoidi) [52, 53]. Kod insekata, svi pigmenti koji se proizvedu nastaju kao ostatak nekog metaboličkog procesa. U većini slučajeva, ove komponente su toksične u visokim koncentracijama i stoga moraju biti eliminisane ili deponovane.

Krila leptira i tvrdokrilaca su hitinizovani organi, koji mogu deponovati ove supstance bez ikakvog rizika po jedinku. Stoga je važno istaći da je njihova obojenost sekundarni efekat, iako je u pitanju ključni element za preživljavanje [54].

Iako su boje bazirane na pigmentima najprisutnije u prirodi, najsjajnije i najintenzivnije boje rezultuju iz interakcije svetlosti sa kompleksnim strukturama na mikro- i nanoskali, tj. tzv. fotonskim strukturama [36, 55, 56]. Nezavisno od hemijske prirode materije, fizički fenomeni kao što su prelamanje, rasejanje, interferencija i difrakcija svetlosti mogu biti odgovorni za nastanak obojenosti. Tada govorimo o fizičkoj ili strukturnoj obojenosti (Sl. 3), koja je rezultat selektivne refleksije svetlosti [24, 57].

Strukturna boja može biti okarakterisana kao iridescentna ili neiridescentna (Sl. 3) [ 41, 16]. Široko definisano, boje koje se menjaju sa uglom posmatranja, nazivaju se iridescentnim, dok neiridescentne ostaju iste nezavisno od ugla pod kojim ih posmatramo [58]. Iz ugla fizičkog mehanizma, fenomen iridescencije nastaje usled interferencije svetlosti na periodičnim strukturama, sa periodom reda veličine talasne dužine svetlosti [41, 59].

pigmentna obojenost strukturna obojenost

iridescentno neiridescentno 1 cm

Slika 3. Pigmentna obojenost i strukturna iridescencija na krilima Apatura iris (Linnaeus, 1758)

Možemo reći da je vidljivi deo spektra podeljen na “tople” pigmentne (od crvene do žute) i “hladne” strukturne boje (od bliske UV do plavo-zelene) (Sl. 2). Zelena boja u sredini spektra je često rezultat kombinovanja strukturne plave i pigmentne žute boje. Ovo razdvajanje vidljivog dela spektra omogućava formiranje kompozitnih boja kombinovanog porekla, gde je jedna komponenta strukturna, a druga pigmentna [41].

Čest je slučaj da je pigmentna obojenost pojačana strukturnom [60]. Na primer, paunovo perje je pigmentne braon boje, ali njegova struktura čini da ono izgleda iridescentno plavičasto i zeleno [61].

1.3 Fizička osnova nastanka strukturne obojenosti

Fenomeni interferencije, difrakcije i rasejanja su mehanizmi nastanka strukturnog obojenja. Iako se uobičajeno razdvojeno izučavaju, nisu fundamentalno različiti i nije ih lako razvojiti. Njihova različitost je više posledica geometrije i uređenja strukture nego same fizike ovih procesa. Ipak je pogodnije za početak ih predstaviti odvojeno [41].

Fizičke mehanizme koji dovode do stukturne obojenosti u prirodi delimo na: 1) interferenciju na tankim filmovima; 2) difrakciju svetlosti na periodičnim strukturama tipa rešetke; i 3) selektivno rasejanje na česticama različitih dimenzija [11, 33].

1.3.1 Interferencija na tankim filmovima

Do interferencije svetlosti može doći na jednostavnim, jednoslojnim ili kompleksnim, višeslojnim filmovima. Nastaje kao posledica delimične refleksije svetlosti na svim graničnim površinama strukture na koju pada. Interferencija na jednoslojnim filmovima je česta, ali produkuje boje koje nisu dovoljno intenzivne (balon sapunice, uljane mrlje, mrlje od benzina i dr.) [11].

Intenzitet boja se pojačava ako se materija sastoji od više ovakvih tankih slojeva, koji se periodično smenjuju jedan iznad drugog. Višeslojni tanki filmovi (Sl. 4) se sastoje od nekoliko naizmeničnih slojeva sačinjenih od materijala visokog i niskog indeksa prelamanja, čija debljina je uporediva sa talasnom dužinom svetlosti [28]. U ovakvoj strukturi, na svakoj graničnoj površini slojeva, određena količina upadne svetlosti je reflektovana. Svi ti reflektovani snopovi, u zavisnosti od debljine slojeva i talasne dužine, međusobno interferiraju konstruktivno ili destruktivno. Konstruktivna interferencija se dešava kada je optička debljina filma n (indeks prelamanja) x d (realna debljina sloja) jednaka λ/4 [62]. Idealna višeslojna struktura je ona na kojoj svetlost reflektovana sa svakog međukontakta slojeva konstruktivno interferira.

Mnogi biološki sistemi su blizu ovog idealnog λ/4 uređenja. Stoga su živopisno obojeni i visoko reflektivni i mnoge životinje koriste ovakve mehanizme, koji im obezbeđuju upečatljivu obojenost (perje ptica, ljuspice krila leptira ili rožnjača kod nekih insekata) ili visoku reflektansu (riblje krljušti i tapetum u očima noćnih životinja) [63]. Interferencija na višeslojnim filmovima je česta u životinjskom svetu a filmovi mogu biti vrlo kompleksni. Kod nekih tvrdokrilaca, na primer, je utvrđeno i do 120 slojeva naslaganih jedan na drugi, koji produkuju metalno-zlatnu obojenost pokrilaca [64].

Pravilna višeslojna struktura naziva se Bragovom rešetkom (ogledalom), a ovakva struktura naziva se još i 1-dimenzionalnim fotonskim kristalom [64]. Kada struktura poseduje periodičnost u dve ili tri prostorne dimenzije, tada govorimo o 2- ili 3-dimenzionalnim fotonskim kristalima [56]. U prirodi ih možemo naći u mineralima (opal), ali i u svetu životinja – među nekim leptirima, a naročito kod određenih grupa tvrdokrilaca (Curculionidae) [65, 66].

reflektovano zračenje

n1 n2d2

n1d1

n2d2

n1d1 n2d2 Višeslojni film

n1d1 n d 2 2 n1 upadno zračenje

Slika 4. Interferencija na višeslojnim filmovima. Idealni višesloj, gde svetlost, reflektovana sa svake granične površine, interferira konstruktivno (n1d1 = n2d2 = λ/4), gde je n indeks prelamanja a d realna debljina sloja

1.3.2 Difrakcija svetlosti na periodičnim strukturama tipa rešetke

Difrakciona rešetka je struktura koja je periodična u nekom pravcu, duž svoje površine [64]. Osnovni fizički mehanizam kod rešetki je sličan kao i kod periodičnih višeslojnih filmova, sa tom razlikom da je im je orijentacija periodičnosti drugačija [64]. Difrakcione rešetke su površine ili materijali sa površinskom periodičnošću, reda veličine talasne dužine svetlosti, koji dovode do amplitudne ili fazne modulacije upadnog talasnog snopa, koji se ispoljava u transmisiji ili refleksiji, kao karakteristični difrakcioni obrazac [4].

Svetlost se na difrakcionoj rešetki cepa na više snopova – difrakcionih redova (Sl. 5). Razmak između dve uzastopne linije (proreza) na difrakcionoj rešetki označavaćemo sa d (perioda rešetke), a dobijene difrakcione redove sa m.

Jedan od difrakcionih redova (tzv. nulti red, m = 0) nastavlja da se prostire u istom pravcu iz kojeg je došao. Ostali redovi (označeni sa m = ±1 za rešetke sa tri difrakciona reda) bivaju simetrično raspoređeni, levo i desno od nultog reda.

Rešetke sa složenijim oblikom perioda (proreza) daju veći broj redova (m = ±2, ±3, itd.). Pod kojim će uglom biti skrenut (difraktovan) neki od viših redova (različitih od nultog), zavisi od gustine linija na difrakcionoj rešetki (tzv. prostorna učestanost – broj linija po jedinici dužine), ali i od talasne dužine svetlosti [67].

Kritični period rešetke je kada je razmak između “proreza” difrakcione rešetke d = 175 nm. Za manje vrednosti periode od navedene, dobija se kao rezultat rešetka „0“ (nultog) reda, koja ne može da formira više difrakcione redove i talasne dužine nisu razdvojene [64, 67].

Veštački napravljene difrakcione rešetke su usavršavane i poboljšavane kako bi se dobile adekvatne spektralne osobine. One su odgovorne za obojenost holograma koji se nalaze na kreditnim karticama, zaštitnim folijama i novčanicama radi zaštite od falsifikovanja, premda ih je teško iskopirati [68].

difrakciona rešetka

m = + 1

m = 0

upadna svetlost m = - 1 d

difrakcioni redovi

Slika 5. Difrakciona rešetka sa tri difrakciona reda

1.3.3 Selektivno rasejanje na česticama različitih dimenzija

Rasejanje je proces koji se odigrava kada svetlost pada na materijale nepravilne, stohastičke (slučajne) strukture. Tada ona interaguje sa datom strukturom na nepredvidiv način, takav da je prostornu raspodelu rasejane svetlosti moguće opisati jedino statističkim metodama. U zavisnosti od prirode rasejavajućeg materijala (srednje veličine čestica ili njihovog indeksa prelamanja), fizički efekti mogu uključivati prelamanje, višestruku refleksiju, kao i difrakcione i interferencione efekte [69].

Rasejanje na česticama (Sl. 6) može biti: (i) koherentno i (ii) nekoherentno. U zavisnosti od toga da li su čestice manjih ili većih dimenzija od talasne dužine svetlosti koja se na njima rasejava, nekoherentno rasejanje se deli na: Rayleigh-evo, Tyndall-ovo i Mie-vo rasejanje [70-72]. Kod koherentnog rasejanja postoji određena fazna veza između upadnih i rasejanih talasa, dok kod nekoherentnog rasejanja to nije slučaj.

Iridescentne boje se dobijaju koherentnim rasejanjem, mada nije nužno da koherentno rasejanje uvek produkuje iridescenciju [73]. Nasuprot tome, nekoherentno rasejanje nikada ne produkuje iridescenciju [74].

Rasejanje svetlosti je često korišćen mehanizam u prirodi za dobijanje plave boje, s obzirom da je plavi pigment jako redak u prirodi [75]. Najbolji primeri za to su boja neba [72], krila Lycaenidae [76] ili pera nekih vrsta ptica [77].

’ 1 ’ 1 2 2

A B

(a) (b)

Slika 6. Rasejanje na česticama: (a) koherentno (A i B su čestice na koje pada zračenje 1 i 2, tako da je rasejano zračenje 1´ i 2´ u fazi); (b) nekoherentno (rasejano zračenje nije u fazi).

1.4 Uloga obojenosti kod životinja

Postoji standardno mišljenje da je funkcija boja usko vezana za sposobnost životinja da percipiraju boje. Međutim, obojenost uglavnom nastaje sekundarno, kao posledica hemijskih karakteristika raznih pigmenata, koji primarno vrše neke druge uloge. Stoga je percepcija boja, koje na taj način nastaju, zapravo sporedna uloga, koja je kroz evoluciju favorizovana [78, 79]. Veliki je broj primera u živom svetu koji potkrepljuju ovu tvrdnju, a neki od njih dati su u nastavku.

Apsorpcija svetlosti od strane određenih pigmenata može da služi za filtriranje onih delova spektra koji su štetni za žive organizme (prvenstveno UV radijacije). Kod životinja tu funkciju vrši pigment melanin [80]. Obojenost takođe može imati ulogu u termoregulaciji. Tamno obojeni delovi tela, bilo da su pigmentnog ili strukturnog porekla, su poznati kao veoma efikasni pri konverziji svetlosne energije u toplotu [81]. Belo obojene strukture, obratno, reflektuju svetlost i na taj način sprečavaju suvišno zagrevanje tela [82].

Mehanička svojstva pigmenata mogu da predstavljaju dodatni vid zaštite pojedinih životinja. Visoke koncentracije pigmenta melanina na ivicama krila i vrhovima repa određenih vrsta ptica povećavaju otpornost pera na abraziju uzrokovanu česticama iz vazduha [53]. Mnogi pigmenti obezbeđuju i hemijsku zaštitu protiv različitih patogena i predatora. Kod ptica, melanini usporavaju degradaciju pera uzrokovanu bakterijama [83]. Kod insekata [54], pigmenti su najčešće toksični nusprodukti metabolizma i bivaju deponovani većinom u krilima, gde ne mogu naneti nikakvu štetu svom nosiocu, dok su za predatore otrovni ili neukusni.

Sa druge strane, boje nastale na površini tela životinja su se pokazale izuzetno značajnim kroz dug vremenski period evolucije. Stoga su njihova raznovrsnost, uređenje u različite obrasce, brojne nijanse i prisustvo na različitim delovima tela određeni i favorizovani prirodnom selekcijom kroz nebrojeno mnogo generacija [78].

Važnost percipiranja obojenosti ogleda se u povećanju verovatnoće međusobnog uočavanja organizama. Takođe, boje unapređuju i prepoznavanje vrsta. Bilo da imaju ulogu da privuku polinatore, rasejivače semena ili potencijalne seksualne partnere, upadljive boje često povećavaju fitnes signalizatora, odnosno verovatnoću da će preneti gene na sledeću generaciju [84].

Osim toga, uloga boje je da privuče pripadnike iste vrste, a istovremeno da odbije pripadnike drugih, predatorskih vrsta. U tom smislu, evolucija je morala da razvije različite mehanizme kojima će uspeti da pomiri dva kontradiktorna zahteva. Stoga, postoji podela na upozoravajuću i zaštitnu obojenost. U živom svetu je, po pravilu, jarka obojenost upozoravajuća. Nosilac obojenosti, na taj način, upozorava potencijalnog predatora da je toksičan, da poseduje bodlje ili ima odbojan ukus. Ovakva obojenost naziva se aposematska obojenost. Zaštitna obojenost se deli na: skrivajuću obojenost (kriptičku obojenost) i lažno upozoravajuću obojenost (pseudoaposematsku obojenost) [78, 79].

Još jedan važan biološki fenomen je mimikrija. Svrha ovog mehanizma je da se imitacijom (obojenosti, oblika ili kretanja) obezbedi zaštita vrsta od predatora (repelentna mimikrija) ili, pak, prednost predatora nad plenom (atraktantna mimikrija). Mimikrija uključuje najmanje tri protagonista: predatora, plen i model vrstu za imitaciju. Ukoliko je plen jestiv i imitira obojenost neke nejestive vrste, tada je predator nasamaren obmanjujućom obojenoću (Bejtsova mimikrija). Ukoliko je predator upozoren na realnu opasnost (plen je zaista nejestiv) bojama koje su slične onima kod neke druge nejestive vrste, reč je o Milerovoj mimikriji i nema obmane u pravom smislu te reči. Ova komunikaciona strategija podrazumeva da su, za razliku od predatora, jedinke plena u stanju da prepoznaju pripadnike iste vrste zarad parenja. Model za imitaciju ne moraju biti samo druge životinje, već i različiti objekti iz okruženja. Objekti koji se obično imitiraju su listovi i grančice, ali i lišajevi i ptičiji ekskrementi [41, 85].

1.4.1 Uloga obojenosti kod insekata

Za percipiranje sveta oko sebe insekti uglavnom koriste hemijska i vizuelna čula [86, 87]. Oslanjanje na hemijska čula ima svoje nedostatke, pre svega, jer zavisi od različitih sredinskih faktora, poput vetra. Optičko prepoznavanje je, stoga, ključno i veoma dobro razvijeno [88]. U vizuelnom smislu, insekti treba da obezbede da budu prepoznati od strane pripadnika iste vrste, a da u isto vreme budu što manje uočljivi za predatore. Mnogi toksični insekti i oni neprijatnog ukusa koriste jarku obojenost da upozore potencijalne predatore o svojoj nejestivosti. . Istovremeno postižu da budu dovoljno uočljivi i privlačni za pripadnike suprotnog pola svoje vrste. Sa druge strane, jestivi insekti, mimikrijom obojenosti nejestivih insekata, bivaju zaštićeni lažno upozoravajućim signalom [78, 79].

Kamuflaža je još jedan mehanizam vizuelne zaštite koji je rasprostranjen među insektima. Kamuflažna obojenost naročito je značajna dok insekti miruju i odmaraju. Uglavnom je samo jedna strana životinje prilagođena ovoj ulozi (obično je to dorzalna) ili jedan par krila [41].

Još jedna veoma važna uloga obojenosti kod insekata je uloga u termoregulaciji. Mnogi insekti su heterotermi, što znači da značajan deo energije dobijaju iz okoline. Da bi mogli da polete, prosečna temperatura njihovih grudi, gde se nalaze mišići pokretači krila, mora biti iznad određenih vrednosti. Energija koja je za to potrebna, može samo delimično biti produkovana endogeno, pokretanjem mišića, dok se drugi deo obezbeđuje egzogeno, direktnim upijanjem Sunčeve energije. Zarad što efikasnije apsorpcije energije, pojedini insekti razvili su crne strukture na svojim telima [89-91]. Takođe, većina insekata ne može da preživi ukoliko im se telo zagreje preko 40ºC, pa je neophodno da otpuste višak energije radijacijom ili konvekcijom. Energetski balans kod ovakvih vrsta esencijalno zavisi od obojenosti krila i njihovih radijativnih svojstava [82, 92]. Dakle, insekti, koristeći različite optičke mehanizme, treba da naprave balans između tri osnovne potrebe: savršene kamuflaže (da bi se sakrili od predatora), uočljivosti (zarad prepoznavanja i upozoravanja) i termoregulacije (prisustvo crne boje zarad što bolje apsorpcije Sunčeve energije kako bi bili u stanju da polete) [41].

1.5 Fotonske strukture u živom svetu, sa posebnim osvrtom na insekte

Milionima godina pre nego što je čovek ovladao manipulacijom svetlosti, biološki sistemi su koristili nanometarske strukture kojima su produkovali upečatljive optičke efekte. Veliki je broj fotonskih struktura u prirodi, a najfascinantnija je njihova raznovrsnost i kompleksnost.

Fotonske strukture kod životinja su dosta detaljno istraživane, kako kod kopnenih, tako i kod vodenih organizama [56]. U biljnom svetu su nešto manje zastupljene i nisu detaljno izučavane [93, 94], premda su mehanizmi funkcionisanja fotonskih struktura kod biljaka identični onima kod životinja. Tako, recimo, plod afričke zeljaste biljke Pollia condensata Clarke poseduje pikselizovanu iridescenciju, sa zelenim i ljubičasto-crvenim tačkastim zonama [95]. Ovakva pojava je uzrokovana Bragovom refleksijom helikoidalno pakovanih celuloznih mikrofibrila koji formiraju višeslojeve u epikarpu ploda. Slično je i kod listova tropske paprati Danaea nodosa Sm. [96]. Kod biljaka, uloga višeslojeva je u fotozaštiti ili optimizovanom sakupljanju aktivne svetlosti u fotosintezi [5].

Akvatični biološki sistemi su bili predmet mnogih fotoničkih studija. Kristalni višeslojevi guanina kod riba uzrokuju širokopojasnu srebrnu refleksiju [56]. Osim riba, različite vrste rakova (Crustacea) i mekušaca (Mollusca) poseduju jedinstvene optičke strukture karakteristične po svojoj iridescenciji [97, 98]. Fotonski kristali su pronađeni u cilijama rebronoše Beroe cucumis Fabricius, 1780 [99]. Morska zmijuljica Ophiocoma wendtii Müller & Troschel, 1842 na svojim ambulakralnim nožicama poseduje neorganske mikrostrukture koje imaju ulogu mikrosočiva. Ovi fotonski elementi, sačinjeni od kalcitnih kristala, imaju ulogu u proceni nivoa svetlosti i senke, na osnovu čega jedinka može osetiti prisustvo predatora [100].

Generalno govoreći, iridescencija je daleko češća u kopnenim nego u akvatičnim biološkim sistemima [56]. Kod kopnenih organizama, fotonske strukture koje funkcionišu na principu interferencije na tankim filmovima su najčešće u prirodi. Upravo je ovaj fizički fenomen razlog iridescencije u perima paunova, fazana, divljih pataka i mnogih drugih ptica [101].

Kod mužjaka rajske ptice Parotia lawesii Ramsay, 1885 postoji jedinstven primer kombinacije interferencije na jednoslojnim i višeslojnim filmovima u okviru jednog pera. Ovaj mehanizam, uz specifičan oblik bumeranga njihovih barbula, omogućava dramatičnu promenu boje grudnih pera ove ptice tokom rituala plesnog udvaranja. Dolazi do nagle i upadljive promene boje pera, koja je daleko intenzivnija nego kada je ptica statična, što pticu čini konkurentnijom [102].

Plava boja pera ptica zaslužuje posebnu pažnju, jer nije nastala zbog plavog pigmenta ili interferencije, kao kod krila Morpho leptira, odnosno u ovom slučaju nema iridescencije. Još jedan fizički fenomen je ovde uključen: koherentno rasejanje svetlosti od strukturnih elemenata veoma malih dimenzija (nekoliko desetina nanometara), koje čine barbule pera [77].

Najraznovrsnije fotonske strukture pronađene su kod insekata [11, 15, 56]. Tokom razvoja, kutikula insekata se obrazuje u fazama, što omogućava lako strukturisanje u nanometarske višesloje, koji formiraju posebno intenzivne boje na njihovim telima. Leptiri i moljci obiluju ovakvim slojevitim strukturama. One su odgovorne za jedinstveno plavu boju Morpho leptira [103] ultraljubičastu refleksiju nekih vrsta familije Pieridae [104] i zelenu obojenost određenih vrsta familije Papilionidae [105]. Sličan mehanizam je otkriven i kod nekih Odonata [106], pčela roda Amegilla Friese, 1897 [107] i moljaca [108].

Interferencija na višeslojnim filmovima može se odigrati na različitim delovima kutikule tvrdokrilaca i dati različit optički efekat. U slučaju krasaca (Buprestidae), višeslojevi su koncentrisani u epikutikuli i doprinose refleksiji koja je polarizaciono nezavisna [62]. U egzokutikularnim višeslojevima, hitinski mikrofibrili formiraju helikoidalne strukture koji reflektuju samo kružno polarizovanu svetlost inverzne hiralnosti. Dobar primer je buba listara zlatne boje Chrysina resplendens (Boucard, 1875), kod koje se upadna nepolarizovana svetlost sa kutikule reflektuje kao cirkularno polarizovana [109]. Reflektujući slojevi se takođe mogu naći i u endokutikuli [110].

Neki leptiri ispoljavaju seksualno dimorfnu iridescenciju. Difrakcione rešetke na ljuspicama krila mužjaka leptira Lamprolenis nitida Godman & Salvin, 1880 omogućavaju generisanje dva različita obrasca iridescencije pod različitim uslovima osvetljenja [111]. Kada je leptir osvetljen i posmatran anteroposteriorno, uočava se zeleno-crvena iridescencija. Ako se ista zona krila osvetljava i posmatra posteroanteriorno, uočava se plavo-ljubičasta iridescencija. Razlog su dve odvojene difrakcione rešetke prisutne u okviru iste ljuspice. L. nitida je stoga jedinstven primer među lepidopterama i u prirodi uopšte, zbog stvaranja tako složenog optičkog signala. Inače, uobičajeno je da jedna optička struktura emituje jedan optički signal.

Bela boja kod tvrdokrilaca potiče od neuređenih struktura i mehanizma širokopojasnog ili Mie-vog rasejanja upadne svetlosti na nanometarskim česticama. Ovakva strukturno bela boja nastaje kada materijal rasejava sve talasne dužine upadne svetlosti jednako [112].

Hitin je materijal koji može biti oblikovan u vrlo složene forme, pa su tako 3D fotonski kristali često nalaženi kod insekata [112, 113]. Fotonski kristali su najsloženija forma fotonskih struktura. Najčešće su nalaženi kod tvrdokrilaca familija Curculionidae [114] i Cerambycidae [115] ali postoje i na ljuspicama nekih vrsta Lepidoptera [116].

Insekti poseduju i sposobnost promene boje koja je izazvana nekim unutrašnjim ili spoljašnjim faktorom. Adaptivne prednosti ovog mehanizma su vezane za kamuflažu, signalnu komunikaciju, prepoznavanje vrsta i termoregulaciju [17, 117, 118], a uzrokovane su potrebom organizma da se stalno prilagođava promenljivoj okolini. Promena boje može biti izazvana uzbuđenjem, stresom, prisustvom jedinke suprotnog pola ili upijanjem i sprečavanjem isparavanja vode. Promena obojenosti može biti reverzibilna i ireverzibilna [33]. Reverzibilna promena boje može nastati usled promene u pigmentima, mikrostrukturi ili njihovom kombinacijom [119]. Mnogi pripadnici familije Scarabaeidae imaju sposobnost strukturalne promene boje. Tvrdokrilac Pyronota festiva (Fabricius, 1775) je obično zelene boje, ali može biti ljubičaste, plave, crvene ili braon, u zavisnosti od stepena hidratacije slojeva kutikule, čime postiže bolju kamufliranost [120]. Neki leptiri imaju sposobnost brze promene boje, što otežava predatorima da ih prate [33, 121].

Nivo hidratacije može promeniti debljinu napakovanih slojeva kutikule i tako promeniti indeks prelamanja ovih poroznih slojeva. Takva promena obojenosti poznata je kod vrsta Hoplia coerulea (Drury, 1773) [117], Charidotella sexpunctata (Fabricius, 1781) [118] i Dynastes hercules (Linnaeus, 1758) [17], i ima ulogu u kamuflaži, aposemiji ili termoregulaciji.

1.6 Svetlosni talasovodi

Svetlosni talasovodi su strukture sa ulogom u prihvatanju i kanalisanju svetlosti i filtriranju određenih talasnih dužina elektromagnetnog spektra [122]. Na taj način dolazi do zarobljavanja svetlosti i lokalnog pojačanja njenog intenziteta, što se dalje može iskoristiti u različite svrhe (npr. sprovođenje svetlosti do pigmenata u oku, formiranje strukturne obojenosti) [123]. Prema svojoj geometrijskoj strukturi talasovodi mogu biti planarni ili linearni (trakasti ili vlaknasti) [124].

Fotoreceptorne ćelije retine oka verovatno su najpoznatiji primer linearnih svetlosnih talasovoda u živom svetu [125]. One imaju ulogu da zarobe i sprovedu upadnu svetlost, omogućavajući njenu vizuelnu apsorpciju na fotolabilnim pigmentima, gde dolazi do konverzije svetlosne energije u fizičko-hemijsku, i na kraju, u električni impuls [123].

Mikrostrukture koje imaju ulogu talasovoda dosta su proučavane u živom svetu [29]. Osim u fotoreceptornim ćelijama kičmenjaka i beskičmenjaka [126] nalaze se i u kohlearnim dlakavim (cilijatnim) ćelijama unutrašnjeg uha [127], etioliranom biljnom tkivu [128], pa i u dlaci sisara [129].

Kod insekata su takođe otkrivene strukture koje mogu da funkcionišu kao optički talasovodi. One se mogu naći na antenama [130], u složenim očima [131], na krilnim ljuspicama [132] i drugim delovima tela. Sastavni su deo svetlosnih ili IC receptora [133], termoregulatornih sistema [7], a mogu imati važnu ulogu u nastanku strukturne obojenosti [105, 134, 135].

1.7 Osnovne odlike redova Coleoptera i Lepidoptera

Tvrdokrilci (Coleoptera) su najbrojniji red insekata, sa 350.000-400.000 vrsta svrstanih u četiri podreda (Adephaga, Archostemata, Myxophaga i Polyphaga). Čine 40% svih opisanih insekatskih vrsta i oko 30% svih životinjskih vrsta [136, 137]. Coleoptera žive u gotovo svim delovima sveta i svim tipovima staništa [138]. Glavna karakteristika ovog reda je prisustvo sklerotizovanih prednjih krila pokrilaca ili elitri (gr. elytron/elytra). Pokrilca ne učestvuju u letenju, već formiraju izuzetno snažan zaštitni oklop po kojem čitava grupa nosi ime (gr. koleos = omotač, oklop, plašt; pteron = krilo). Pokrilca pokrivaju i štite abdomen i zadnja krila (alae). Alae su drugi par membranoznih krila savijenih ispod pokrilaca i one služe za letenje. Među tvrdokrilcima koji su izgubili sposobnost letenja, zadnja krila mogu biti delimično ili kompletno zakržljala [139]. Tvrdokrilci spadaju u holometabolne insekte i njihovo razviće se odvija preko 4 osnovna stadijuma: jaje, larva, lutka i imago (adult).

Leptiri i moljci (Lepidoptera) se smatraju najmlađim insekatskim redom. Opisano je više od 175.000 vrsta Lepidoptera, a procenjuje se da ih je znatno više. Vrste reda Lepidoptera naseljavaju sve geografske oblasti, a najbrojnije su u tropskim predelima [140]. Sistematika Lepidoptera menjala se kroz vreme u zavisnosti od toga koji su karakteri uzimani kao ključni [140, 141]. U ovoj tezi koristili smo podelu reda na podredove Rhopalocera i Heterocera, odnosno na dnevne leptire (sa širokom paletom intenzivnih boja) i moljce (većinom noćni leptiri, sa perastim tipom antena, koji poseduju manje intenzivne boje) [142]. Vrste reda Lepidoptera su holometabolni insekti. U životnom ciklusu ovih insekata postoje sledeći stadijumi: jaje, larva, lutka i imago (adult) [138].

Leptiri se od ostalih insekata razlikuju po prisustvu dva para membranoznih krila koja su pokrivena ljuspicama. Naziv Lepidoptera potiče iz grčkog jezika (gr. lepidos = ljuspa, pteron = krilo). Svako od četiri membranozna krila čini jedna dvoslojna membrana. Slojevi membrane krila su nastali nezavisno i ujedinjeni su u jedinstvenu membranu u finalnoj fazi formiranja krila.

Ovo je razlog zašto su boje, obrasci na krilu i umetnute ljuspice potpuno različiti na ventralnoj i dorzalnoj strani krila. Ove membrane zapravo su potpora ljuspicama, kutikularnim strukturama koje su glavni nosioci boja kod Lepidoptera [41, 16, 143].

1.8 Kutikula i kutikularne tvorevine kod Coleoptera i Lepidoptera

Kutikula insekata i svih Arthropoda je slojeviti spoljašnji omotač, odnosno egzoskelet ovih organizama. Njena uloga je da pruži potporu mišićima i reguliše razmenu gasova i tečnosti organizma sa okolinom. Kutikula spolja može biti glatka, sa različitim naborima ili udubljenjima, a može i da obrazuje različite dodatke, dlačice (sete) i ljuspice različitog oblika i veličine [138, 140, 144]. Insekatska kutikula je vrlo varijabilan biološki produkt kojeg luči jedan sloj epitelijalnih ćelija integumenta. Može se podeliti na dva primarna sloja: tanki spoljašnji sloj – epikutikulu i deblji unutrašnji sloj koji pokriva epidermis – prokutikulu. Oba sloja, a posebno prvi, su podeljeni na veliki broj podslojeva (Sl. 7). Spoljašnju epikutikulu [145] čini sloj proteina kutikulina [146]. Ovaj sloj može biti presvučen cementom i/ili voskom. Unutrašnja epikutikula se sastoji od lipida, fenola i proteina [145]. Spoljašnja epikutikula se prva luči i formira omotač unutar kojeg se luče drugi slojevi kutikule. Ovaj tanki vodootporni sloj ne sadrži hitin.

Prokutikula je veoma varijabilna po formi, a njena glavna odlika je prisustvo hitina. Molekul hitina je polisaharid koji je po strukturi veoma sličan biljnoj celulozi. Izgrađen je od monomera N-acetilglukozamina. Oko dvadeset ovakvih monomera, uređenih u dva ili tri reda, formiraju štapićaste strukture – mikrofibrile (Sl.7). Hitinska prokutikula se sastoji od spoljašnje egzokutikule i unutrašnje endokutikule [144].

Čvrsta i fleksibilna endokutikula se sastoji od lamela koje čine slojevi građeni od hitinskih mikrofibrila okruženih proteinskim matriksom. Ovi slojevi su postavljeni paralelno sa epikutikulom i preklapaju se jedan preko drugog. Pravac pružanja mikrofibrila se menja u svakom sloju tako što rotiraju i kada dostignu rotaciju od 180°, tada je formirana lamela (Sl. 7).

Sa druge strane, egzokutikula je sloj u kojem dolazi do očvršćavanja i biomineralizacije [147]. Biomineralizacija kalcitom je karakteristična za Crustacea, dok se sklerotizacija (očvršćavanje) dešava kod insekata, u kojoj glavnu ulogu igra protein sklerotin. [138].

Osim svoje zaštitne i potporne uloge, kutikula je i mesto nastanka boja. Kod Coleoptera, boje mogu produkovati višestruki slojevi kutikule, lamele (prvenstveno na pokrilcima) (Sl. 8) ili kutikularni izraštaji (ljuspice) (Sl. 9) [148], dok su kod Lepidoptera prvenstveno ljuspice odgovorne za obojenost krila [134].

EPIKUTIKULA cement vosak spoljašnja epikutikula unutrašnja epikutikula

EGZOKUTIKULA EGZOKUTIKULA mikrofibrili 180 °

KUTIKULA KUTIKULA PROKUTIKULA PROKUTIKULA

lamela lamela ENDOKUTIKULA

EPIDERMIS

sloj

Slika 7. Šematski prikaz građe kutikule insekata

Kada boja potiče sa lamela višeslojne kutikule [64] (Sl. 8(d)), površina kutikule je uključena samo u prostornu raspodelu svetlosti. Ona može biti raznovrsna, od savršeno glatke, preko alveolarne do brežuljkaste. U većini slučajeva, boja koja nastaje je interferentna, ali biva modifikovana površinskim rasejavajućim strukturama kutikule. Ove površinske strukture su različitih veličina, od nekoliko desetina mikrometara do jednog milimetra [148]. Kod nekih vrsta tvrdokrilaca, kutikula ne proizvodi nikakvu strukturnu obojenost, već to čine ljuspice koje je pokrivaju (Sl. 9) [114]. Ove ljuspice se veoma razlikuju od onih kod Lepidoptera. Pre svega, raspoređene su ređe i bez nekog posebnog reda. One su, uglavnom, deblje, čvršće, cirkularne ili konveksne i često imaju unutrašnju kristalnu organizaciju (Sl. 9(c)), koja se ređe javlja kod leptira. Njihova spoljašnjost obično nije fino ornamentisana, ali mogu posedovati sitne bradavičaste strukture, koje, poput onih na omatidijama imaju ulogu antirefleksionog sloja [41]. Veliki je broj familija Coleoptera koje imaju ljuspice na površini svog tela (prvenstveno izraženo kod familija Curculionidae, Scarabaeidae i Cerambycidae).

(a) (b)

1 cm

500 µm

20 µm 500 µm

(d) (c)

Slika 8. Slojevita struktura pokrilaca Calosoma sycophanta (Linnaeus, 1758). (a) Habitus C. sycophanta; (b) površina pokrilaca snimljena optičkim mikroskopom; (c) SEM snimak površine pokrilaca; (d) SEM snimak poprečnog preseka pokrilaca, na kome se uočavaju lamele koje produkuju obojenost ovog insekta

1 mm

40 µm

(a)

(b)

Slika 9. Ljuspice na pokrilcima tvrdokrilca Polydrusus viridicinctus Gyllenhal, 1834. (a) Slike dobijene optičkom mikroskopijom na dva različita uveličanja; (b) prikaz elitralnih ljuspica na SEM; (c) deo jedne polomljene ljuspice i njena unutrašnja kristalna struktura

Boja krila Lepidoptera potiče prvenstveno od ljuspica, koje pokrivaju čitavu površinu krila. Većina ljuspica je obojena pigmentnim molekulima ugrađenim u strukturu ljuspica, ali su najlepše i najsjajnije one sa strukturnom obojenošću [149]. One su raspoređene na krilu u nizovima i prepokrivaju se poput crepova na krovu.

Unutar jednog niza smenjuju se dva tipa ljuspica: krupnije pokrovne (engl. „cover“), koje prepokrivaju i sakrivaju manje bazne (engl. „ground“) (Sl. 10(a)) [143]. Ljuspice su kutikularne strukture koje se sastoje od hitina (više od 83%), proteina, pigmenata (uglavnom melanina) i neorganskih soli [150]. Obično se opisuju kao spljoštene vrećice [149] umetnute u krilo preko drške ili pedicela. Iako postoji veliki diverzitet formi ljuspica, možemo ih podeliti u pet osnovnih grupa, na osnovu kompleksnosti strukture [151].

bazne ljuspice

(a) pokrovne ljuspice

50 µm

poprečna rebra greben sa lamelama (b) prozor

2 µm

Slika 10. Prikaz ljuspica krila leptira. (a) SEM slika dva tipa ljuspica (pokrovne i bazne) [141]; (b) uveličana površina ljuspice, na kojoj se vide lamelarni grebeni, poprečna rebra i prozori koje formiraju grebeni i rebra

Standardna, nespecijalizovana ljuspica, se sastoji od gornje (dorzalne) i donje (ventralne) površine (ili membrane), tzv. lamine, koje su povezane stubolikim strukturama – trabekulama (Sl. 11). Donja lamina, koja naleže na krilnu membranu, je glatka i neornamentisana. Gornja lamina, koja je okrenuta spoljašnjoj sredini, poseduje kompleksnu arhitekturu uzdužnih grebena (engl. “ridges”), koji su, u određenim intervalima, povezani poprečnim rebrima (engl. “crossribs”) (Sl. 10(b) i 11). Grebeni i rebra formiraju prozore (engl. “windows”) (Sl. 10 (b)), koji se otvaraju u unutrašnjost ljuspice koja je obično šuplja. Kod specijalizovanih tipova ljuspica, unutrašnjost je obično ispunjena nanostukturama ili pigmentnim granulama (Sl. 11). Grebeni su pokriveni sa dva tipa nabora: (i) uzdužnim, preklapajućim lamelama; i (ii) mikrorebrima, koja su normalna na lamele i pokrivaju bočne strane grebena [143]. Preostale četiri grupe ljuspica su složenije, modifikovane varijante prve grupe, tj. standardnih ljuspica, a njihova klasifikacija je bazirana na tome koji deo ljuspice je modifikovan i usložnjen [151].

lamele grebeni

poprečna rebra

gornja lamina trabekule unutrašnje strukture (npr. pigmentne donja lamina granule)

Slika 11. Opšta šema strukture krilnih ljuspica Lepidoptera [152]

1.9 Biomimetika i bioinspiracija

Veliki broj tehnoloških inovacija je inspirisan prirodom. Mnoge sofisticirane strukture iz prirode podstakle su naučnike i inženjere da ih iskoriste ili imitiraju za različite primene [153-155]. Razvijena je čitava oblast koja se bavi imitacijom bioloških stuktura i mehanizama – biomimetika.

Insekti, koji su prilagođeni životu u najrazličitijim uslovima sredine, razvili su veliki broj adaptacija. Mnoge od njih čovek je imitirao za rešavanje svakodnevnih problema. Skorašnje studije pokazuju, na primer, kako su ljuspice leptira poslužile kao inspiracija za razvoj boljih solarnih panela [156], dok je kutikula tvrdokrilaca inspirisala nastanak uređaja za kondenzovanje vodene pare [157].

Strukturne boje insekata privlače pažnju zbog velikog potencijala za različite primene. One mogu biti od naročite važnosti za buduću industriju boja i srodne industrije, zato što ne blede i ne štete okolini [151, 158]. Jedan pristup optičkoj biomimetici bazira se na imitaciji, tj. pravljenju direktnih analoga reflektora i anti- reflektora iz prirode, a drugi pristup bazira se na dobijanju prirodnih struktura iz kulture ćelija [159]. Brojni su izumi i proizvodi nastali kao replike površinskih struktura insekata, kao što su tekstil [160], kozmetika [161], auto gume [162], tehnologije protiv falsifikovanja [23], optički filteri [163] i optički sigurnosni uređaji [164]. Stoga nam fundamentalno znanje o strukturnim bojama i njihovom nastanku neće samo pomoći u razumevanju njihove biološke uloge u životu insekata, već može biti inspiracija za različite nove tehnološke primene.

2. CILJEVI RADA

Ciljevi ovog rada usmereni su na ispitivanje kutikularnih fotonskih struktura odabranih vrsta iz dva najveća reda insekata – Coleoptera i Lepidoptera. Predmet istraživanja su one vrste koje poseduju strukturnu obojenost, koja nije posledica prisustva pigmenata, već nastaje kao rezultat interakcije mikronskih i submikronskih elemenata na njihovom telu i upadnog zračenja.

Insekti su kao najraznovrsnija grupa životinja razvili različite fotonske tvorevine na površini svojih tela, koje produkuju impresivne optičke efekte. Prema složenosti i kompleksnosti ovih struktura, naročito se ističu taksoni navedenih redova. Stoga su oni predmet ove studije, i to: Rosalia alpina (Linnaeus, 1758), Morimus asper funereus Mulsant, 1862 (Coleoptera: Cerambycidae), Hoplia argentea (Poda, 1761) (Coleoptera: Rutelidae), Issoria lathonia (Linnaeus, 1758) (Lepidoptera: Nymphalidae), Diachrysia chrysitis (Linnaeus, 1758) (Lepidoptera: Noctuidae) i Jordanita globulariae (Hübner, 1793) (Lepidoptera: Zygaenidae).

Ideja ove studije je da se izvrši optička i morfološka karakterizacija kutikularnih fotonskih struktura navedenih taksona korišćenjem najsavremenijih mikroskopskih, spektroskopskih i drugih metoda. Jedan od ciljeva rada je da se ispitaju mehanizmi interagovanja fotonskih struktura sa vidljivim delom spektra, koji dovode do produkcije interesantnih optičkih efekata. Ispitivali smo spektralna, apsorptivna, refrakciona, difrakciona, i druga optička svojstva, kao i zavisnost od ugla osvetljavanja i posmatranja kako čitavih kutikularnih zona, tako i njihovih komponenti (npr. krilne ljuspice, setae). Osim toga, analizirali smo i objasnili ulogu nekih od ovih struktura u IC delu spektra i njihov doprinos radijativnoj razmeni toplote studiranih insekata sa okolinom. Takođe, razvili smo odgovarajuće matematičke modele i izvršili proračune koji kvantitativno objašnjavaju eksperimentalne rezultate.

Ispitivanje morfologije navedenih struktura i utvrđivanje veze između građe i funkcije odabranih vrsta veoma je važno za rasvetljavanje njihove biologije i ekologije, te zauzima značajno mesto u ovoj studiji. Pored toga, prikazali smo i mogućnost potencijalnih biomimetičkih i drugih tehnoloških primena nekih od ovih struktura.

3. MATERIJAL I METODE

3.1 Prikupljanje, konzerviranje i skladištenje jedinki insekata

Jedinke taksona insekata koji su proučavani u ovoj studiji sakupljene su na teritoriji Republike Srbije u periodu od aprila 2010. godine do avgusta 2018. godine na sledećim lokalitetima: planina Avala, planina Fruška gora, Đerdapska klisura i planina Rtanj. Sakupljanje adultnih insekata vršeno je ručno, entomološkom mrežom i svetlosnim klopkama. Jedan broj jedinki je nakon hvatanja ubacivan u flakone sa 70% etanolom koji su čuvani na sobnoj temperaturi (oko 20°C). Veći broj jedinki je odmah nakon usmrćivanja preparovan, da bi se izbeglo rastvaranje kutikularnih pigmenata u etanolu, i potom deponovan u zbirku Instituta za fiziku Univerziteta u Beogradu. Pored toga, u studiji su korišćeni i primerci insekata iz zbirke Instituta za zoologiju Univerziteta u Beogradu - Biološkog fakulteta i privatne zbirke dr Dejana Stojanovića (Novi Sad, Srbija). Analizirani su suvi, preparovani ili sveži, neposredno usmrćeni primerci. Za sakupljanje jedinki zaštićenih vrsta prethodno su dobijene dozvole Ministarstva zaštite životne sredine Republike Srbije (broj dozvola 353-01-335/2010-03 i 353-01-1310/2018-04).

3.2 Studirani taksoni insekata

Studijom su obuhvaćeni adulti odabranih vrsta redova Coleoptera i Lepidoptera iz familija Cerambycidae, Rutelidae (Coleoptera), Nymphalidae, Noctuidae i Zygaenidae (Lepidoptera). U pitanju su vrste: R. alpina, M. asper funereus (Cerambycidae), H. argentea (Rutelidae), I. lathonia (Nymphalidae), D. chrysitis (Noctuidae) i J. globulariae (Zygaenidae).

Rosalia alpina ili alpska strižibuba (Sl. 12) (fam. Cerambycidae, subfam. Cerambycinae) je krupna vrsta dužine tela od 14-40 mm (bez antena) i karakteristične obojenosti [165]. Naseljava centralnu i južnu Evropu [166]. Njen abdomen je zaštićen subcilindričnim, plavičasto-sivim pokrilcima, na kojima se ističu krupne crne mrlje. Ova specifična obojenost je rezultat postojanja somotaste presvlake koju formira veliki broj veoma finih transparentnih dlačica na sivom delu pokrilaca i crnih ljuspica na crnim mrljama pokrilaca [167, 168]. Ovakva obojenost služi za kamuflažu unutar njihovog izabranog staništa – šuma evropske bukve [167]. Iako se o biologiji vrste malo toga zna, neka istraživanja govore u prilog tome da se adulti ne hrane [169, 170]. Vrsta je strogo zaštićena u Srbiji Pravilnikom o proglašenju i zaštiti strogo ugroženih i ugroženih divljih vrsta biljaka, životinja i gljiva, a u Evropi Direktivama o staništima (EC/92/43). Na IUCN Crvenoj listi ugroženih vrsta, R. alpina je označena kao “ranjiva” vrsta (vulnerable, A1c) (www.iucnredlist.org). Sakupljeno je pet jedinki u toku jula meseca 2010. godine na Avali (leg. S. Ćurčić).

1 cm

Slika 12. Rosalia alpina sa šest karakterističnih crnih mrlja na pokrilcima (uokvireno crvenim ramom) [171] (autor fotografije: Nikola Vesović)

Morimus asper funereus ili bukova strižibuba (Sl. 13) (fam. Cerambycidae, subfam. Lamiinae) je krupan takson koji dostiže dužinu tela od 15-40 mm [172]. Pokrilca su siva, a na njima se ističu četiri krupne crne mrlje. Obojenost i somotasta struktura pokrilaca takođe potiču od tomentuma sačinjenog od dlačica i ljuspica. Naseljava južnu i srednju Evropu. Pored bukve, može se naći na hrastu, jasenu, topoli i javoru [173]. Ova podvrsta ima redukovana zadnja krila i ne leti, a hrani se korom drveta [174]. Nalazi se na IUCN Crvenoj listi ugroženih vrsta i ima status “ranjivog” taksona (vulnerable, A1c) (www.iucnredlist.org). Strogo je zaštićen u celoj Evropi na osnovu Anex-a II Direktive o staništima (EC/92/43). Deset jedinki M. asper funereus je sakupljeno na Avali tokom aprila 2018. godine (leg. D. Pavlović, S. Ćurčić & N. Vesović).

Slika 13. Morimus asper funereus sa četiri karakteristične crne mrlje na pokrilcima

Hoplia argentea (fam. Rutelidae, subfam. Hopliinae) (Sl. 14) je balegar rasprostranjen u većem delu Evrope i Azije [175]. Naseljava otvorena staništa planinskih livada, gde se obično nalazi na zeljastim biljkama, čijim se cvetovima i polenom hrani, naročito na vrstama familije Apiaceae. Adulti su dužine tela od 9-12 mm i aktivni su u periodu od maja do septembra [176]. Larve žive u zemljištu, gde se hrane korenjem raznih biljaka tokom leta, dok preko zime hiberniraju i u proleće izlaze kao adulti [177]. Telo adulata je prekriveno svetlo zelenim, plavičasto-zelenim ili žutim ljuspicama. Mužjaci su obično zelenkasti, sa crnim zadnjim nogama, dok su ženke braonkasto-crvene, sa crvenim nogama [178]. Vrsta nije ugrožena prema IUCN kategorizaciji. Ljuspice H. argentea i njihova strukturna obojenost bile su predmet istraživanja u ovoj studiji. Četiri mužjaka su sakupljena u junu 2016. godine na planini Rtanj (leg. S. Ćurčić & N. Vesović).

1 cm

Slika 14. Hoplia argentea sa zelenkastim pokrilcima

Issoria lathonia ili srebrna sedefica (Sl. 15) (fam. Nymphalidae, subfam. Heliconiinae) je široko rasprostranjena vrsta, koja je distribuirana od zapadne Evrope, preko severne Afrike i centralne Azije, sve do Himalaja i zapadne Kine. Naseljava sunčane, otvorene livade, na nadmorskim visinama od nivoa mora do 2700 m. I. lathonia se javlja u tri godišnje generacije, a adulti lete od marta do kraja oktobra [179]. Larve ovog leptira se hrane biljkama iz roda Viola L. [180]. Prema IUCN kategorizaciji, vrsta nije ugrožena u Evropi [181]. Ova vrsta nam je privukla pažnju zbog srebrnih obrazaca na ventralnoj strani zadnjih krila. Deset jedinki I. lathonia je sakupljeno tokom maja i juna 2015. godine na Fruškoj gori i u Đerdapskoj klisuri (leg. D. Stojanović).

1 cm

Slika 15. Issoria lathonia sa srebrnim obrascima na ventralnoj strani zadnjih krila (autor fotografije: Dejan Stojanović)

Diachrysia chrysitis (fam. Noctuidae, subfam. Plusiinae) (Sl. 16) je česta vrsta umerenog klimata Palearktika [182]. Raspon krila se kreće od 28-35 mm, a dužina prednjih krila je 16-18 mm [183]. Ovaj moljac naseljava uglavnom močvarna područja ili vlažne žbunaste zajednice. Larve se hrane biljkama iz rodova Urtica L., Lamium L. ili Cirsium Mill. [184]. Adulti lete od maja do oktobra, zavisno od lokacije, obično u sumrak, gde sleću na cvetove raznih biljaka. Ponekad se mogu uočiti i tokom dana, čak i kako skupljaju nektar [185]. Ova vrsta nije ugrožena i smatra se uobičajenom u oblasti Palearktika [186]. D. chrysitis ima po dve krupne zlatno obojene zone na dorzalnoj strani svakog prednjeg krila, čije fotonske karakteristike smo ispitivali u ovoj studiji. Pet jedinki D. chrysitis je sakupljeno u junu 2016. godine na Fruškoj gori (leg. D. Stojanović).

1 cm

Slika 16. Diachrysia chrysitis sa zlatnim obrascima na prednjim krilima (autor fotografije: Dejan Stojanović)

Jordanita globulariae (Sl. 17) je dnevni moljac (fam. Zygaenidae, subfam. Procridinae). Vrsta je rasprostranjena od Iberijskog poluostrva na zapadu do Urala na istoku Evrope. Dužina prednjih krila je 10,5-17 mm kod mužjaka i 7,7-10,1 mm kod ženki. Leti tokom sunčanih dana od maja do avgusta, obično na krečnjačkim pašnjacima [187]. Larve se hrane na vrstama iz rodova Centaurea L., Cirsium i Globularia L. [141]. Mužjaci lete tokom sunčanih sati dok su ženke generalno letargičnije. Za vreme veoma toplih dana moljac obično odmara na cvetovima i drugoj vegetaciji. Mužjaci povremeno lete noću [188]. Adulti ovog moljca imaju prednja krila zelene boje dok su zadnja sivo-smeđa. Nekoliko vrsta u okviru ove familije poseduje veoma slične morfološke karakteristike [npr. Adscita statices (Linnaeus, 1758)]. Strukturno zelena obojenost dorzalne strane prednjih krila J. globulariae bila je predmet istraživanja u ovoj studiji. Tri primerka J. globulariae je sakupljeno tokom maja i juna 2011. godine na Fruškoj gori (leg. D. Stojanović).

1 cm

Slika 17. Jordanita globulariae sa strukturno zelenom dorzalnom stranom prednjih krila

3.3 Analize i priprema uzoraka

3.3.1 Mikroanalize

3.3.1.1 Svetlosna mikroskopija i spektroskopija

Za proučavanje celih jedinki, njihovo fotografisanje i manipulaciju ljuspicama i dlačicama korišćen je trinokularni stereo mikroskop STEBA600 (Colo Lab Experts, Novo Mesto, Slovenija) (maksimalno uvećanje do 180x, uveličanje okulara WF 20x, uveličanja objektiva 0.5x i 2.0x, refleksiona i transmisiona grana) sa digitalnim fotoaparatom Canon EOS 50D, Tokio, Japan.

Optičke karakteristike čitavih krila i krilnih ljuspica posmatrane su na transmisiono-refleksionom trinokularnom mikroskopu MET104 (Colo Lab Experts, Novo Mesto, Slovenija) (maksimalno korišćeno uveličanje 400x, sa polarizacionim setom, objektivi Plan Achromatic POL Polarizing 10x/20x/40x). Pojedinačne ljuspice i dlačice su pažljivo skidane sa krila pomoću finih pinceta i posebnih igala i postavljane na staklene mikroskopske pločice. Ljuspice leptira poseduju prirodnu zakrivljenost koja zahteva ekstenziju fokusa (engl. “focus stacking”) da bi se dobile slike koje su u svim delovima jednako izoštrene. Ekstenzija fokusa je rađena preko softverskog paketa Picolay. Da bismo smanjili problem fokusiranja, korišćena je kondenzacija vodene pare, koja ispravlja ljuspice površinskim naponom. Nakon evaporacije vodene pare, ljuspice su ostajale ravne i čvrsto prilepljene za supstrat adhezivnim silama.

Mikrospektrometrija je korišćena za snimanje spektara refleksije (apsorpcije) krila i pojedinačnih ljuspica. Uređaj se sastoji od spektrometra (HR2000CG-UV-NIR, Ocean Optics, Edinburg, UK) sa optičkim vlaknom dijametra od 400 µm, povezanog na optički mikroskop (MET104, Colo Lab Experts, Novo Mesto, Slovenija). Halogena lampa je korišćena kao svetlosni izvor, a spektri su referencirani u odnosu na standardnu belu površinu. Ugao pod kojim se vrši sakupljanje svetlosti je ograničen numeričkom aperturom vlakna (NA = 0,22, što je ekvivalentno ugaonom opsegu od ± 12,7°) i pozicioniran je tako da obuhvata zonu definisanu uslovima eksperimenta (zavisno od povećanja mikroskopskog objektiva).

Za merenje transmisionih (apsorpcionih) spektara, pojedinačne ljuspice i dlačice su potapane u tečnost (sastav: alifatični i aliciklični ugljovodonici i hidrogenizovani terfenil) sa odgovarajućim sertifikovanim indeksom prelamanja (1,5700±0,0002) (serija A, Cargile). Na taj način je suzbijena delimična refleksija (na graničnoj površini vazduh - hitin) i dobijeni spektar se odnosi isključivo na apsorpciju.

3.3.1.2 Kompjuterizovana mikrotomografija

Kompjuterizovana mikrotomografija ili mikro rendgenski skener je metoda 3D analize uz pomoć x zraka primenom kompjuterizovane tomografije (CT). Način funkcionisanja je principijelno isti kao kod standardnih medicinskih skenera, samo služi za primenu na daleko manjoj skali i sa drastično većom rezolucijom [189].

Ova metoda je korišćena za analizu celokupne anatomije odabranih vrsta strižibuba (Cerambycidae) i merenje debljine njihovih elitri. Na raspolaganju smo imali Skyscan 1172 sistem (Bruker, Billerica, SAD). Da bismo osigurali optimalan odnos signal/šum tokom snimanja kompjuterizovanom mikrotomografijom, uzorci su skenirani bez filtera i sa sledećim parametrima skeniranja: 40 kV, 244 µA, 530 ms, ugao rotacije 0,2°, veličina voksela 13,5 µm. Na ovaj način snimljena je anatomija suvih, preparovanih uzoraka, kao i svežih jedinki koje su neposredno pre snimanja žrtvovane. Za potrebe našeg eksperimenta, nije bila neophodna prethodna priprema ili bojenje uzoraka.

3.3.1.3 Skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM)

U cilju ispitivanja detaljne submikronske strukture i morfologije pokrilaca tvrdokrilaca i krila leptira, a posebno njihovih ljuspica i dlačica, korišćen je skenirajući elektronski mikroskop [engl. “field emission gun-scaning electron microscope” (FEG- SEM)] (Mira3, Tescan, Brno, Češka Republika). Maksimalna rezolucija uređaja je 3-5 nm, a maksimalno uvećanje 1.000.000x.

Uzorci su postavljeni na aluminijumski nosač, prečnika od oko 1 cm, preko kojeg je zalepljena dvostruko lepljiva karbonska traka (provodni materijal radi ostvarivanja električne provodnosti uzorka naophodne za elektronsku mikroskopiju). Tvrdokrilci i leptiri manjih dimenzija su celi montirani na nosač, dok su krupnijim primercima tvrdokrilaca skidanae pokrilca, a leptirima i moljcima uzimani izečci krila za analizu.

Pojedinačne ljuspice su pripremljene za SEM metodom dvostrukog transfera, koji podrazumeva skidanje ljuspica sa krila adhezivnom trakom manje površinske energije (“post-it” adhezivna traka), a zatim su sa nje prebačeni na drugu traku visoke površinske energije (provodna karbonska traka). Na ovaj način je zadržana prirodna orijentacija ljuspica kakva je prisutna na krilu.

S obzirom da se analiza materijala vrši pod elektronskim snopom, potrebno je da ispitivani materijal bude provodan kako ne bi došlo da nagomilavanja naelektrisanja (engl. “charging”) i zagrevanja uzorka. Stoga je potrebno da se uzorci pripreme za mikroskopiju. Krila, krilne ljuspice i dlačice insekata (kao i većina materijala) slabo provode ili ne provode struju, pa je neophodno da se prethodno napare, odnosno prekriju tankim slojem (5-10 nm) elektroprovodnog materijala (zlato-paladijum, AuPd) pomoću uređaja za naparavanje uzoraka (SC7620 Mini Sputter Coater, Quorum Technologies Ltd., Lewes, UK). Prilikom naparavanja uzoraka, neophodno je voditi računa o optimalnoj debljini provodnog sloja da ne bi došlo do zatrpavanja morfoloških struktura nanometarskih dimenzija.

3.3.1.4 Nelinearna mikroskopija (NLM)

Ljuspice i dlačice Lepidoptera i Coleoptera poseduju dovoljnu autofluorescenciju koja omogućuje njihov prikaz nelinearnom fluorescentnom mikroskopijom (NLM). Da bismo otkrili kako izgledaju na poprečnom preseku i analizirali skrivene delove ljuspica i njihovih struktura, snimali smo ih i sekli uz pomoć NLM, konstruisanog na Institutu za fiziku Univerziteta u Beogradu.

Za prikaz uzorak u režimu dvofotonske ekscitacione fluorescencije (TPEF), kao i za sečenje, korišćen je femtosekundni laser (Mira, Coherent, Santa Klara, SAD), koji generiše impulse trajanja od 160 fs, sa repeticijom od 76 MHz, u opsegu talasnih dužina od 700-1000 nm. Deo ovog sistema je i fotomultiplikator (PMT) (PF1006, RCA, Njujork, SAD), zajedno sa odgovarajućim interferencionim filterima, koji služi za detekciju fluorescencije. Uzorci se postavljaju na precizan mehanički pomerač koji može da se pomera u aksijalnom (z) smeru pomoću steper motora sa rezolucijom od 0,3 μm. Kontrola instrumenta se vrši preko računara, a za obradu slika i kreiranje 3D prikaza koristi se VolView 3.4 softverski paket (Kitware Inc., Klifton Park, SAD). Najčešće su korišćeni Carl Zeiss (Jena, Nemačka) objektivi: Plan-Apochromat 20x, NA 0,8 i EC Plan-Neofluar 40x, NA 1,3, sa uljanom imerzijom. Slike svetlog polja (engl. “bright-field”) su snimljene na digitalnom fotoaparatu Canon EOS 50D, Tokio Japan.

S obzirom da su snimane kutikularne strukture koje poseduju autofluorescenciju, nije bilo potrebe za bojenjem uzoraka fluorescentnim bojama. Isečci krila ili pojedinačne ljuspice su pripremljeni pod optičkim mikroskopom, postavljeni na mikroskopsku pločicu i zaštićeni pokrovnom ljuspicom.

Obično smo radili na dve talasne dužine (730 nm i 840 nm), na kojima je iz literature poznato da hitin daje dobar signal [190]. Brzina i način skeniranja, kao i snaga lasera podešavani su tako da omoguće ili mikroskopiju ili sečenje. Za potrebe mikroskopiranja, korišćeni su rasterski način skeniranja i manje snage lasera (oko 10 mW). Za sečenje je snaga laserskog snopa podignuta iznad kritičnog praga, a softver modifikovan tako da omogućava vektorsko isecanje određenih oblika. Da bismo odredili koji je kritični prag za sečenje, najpre smo iscrtavali proste obrasce menjajući snagu lasera. Veoma je važno naglasiti da je sečenje moguće isključivo u femtosekundnom režimu lasera, dok u režimu kontinualnog talasa [engl. “continuous wave” (CW)] sečenje nije bilo moguće čak ni pri najvećim snagama lasera. Ovo pokazuje da su multifotonski procesi odgovorni za sečenje.

3.3.2 Infracrvene (IC) analize

3.3.2.1 IC kamere

Termalne karakteristike i prenos toplote kod odabranih taksona strižibuba (R. alpina i M. asper funereus) su analizirani dvema infracrvenim (IC) termalnim kamerama, koje rade u opsezima koji odgovaraju atmosferskim prozorima od 3-5 µm (FLIR SC7200, Vilsonvil, SAD, 320 x 256 piksela, termalna rezolucija 20 mK, spektralni opseg 1,5-5,1 µm) i 8-14 µm (FLIR SC620, Vilsonvil, SAD, 640 x 480 piksela, 40 mK termalna rezolucija, spektralni opseg 7,5-13 µm). Termalna merenja su korigovana na emisivnost površine. Crna traka poznate emisivnosti 0,95 je korišćena kao referenca. Da bismo ispitali radijativnu razmenu toplote, koristili smo ksenonsku blic lampu (Bowens Gemini 1500Pro, London, UK) (trajanje impulsa 0,9 ms, energija po impulsu 1,5 J) kako bismo uniformno ozračili (zagrejali) telo insekta. Pokrilca su takođe bile osvetljena laserom talasne dužine od 405 nm u cilju lokalnog zagrevanja crnih mrlja radi ispitivanja termalnih efekata. Snaga lasera je kontrolisana varijabilnim deliteljem snopa, a trajanje ozračavanja Arduino mikrokontrolorom. Merač snage (Ophir, Nova, Jerusalim, Izrael) sa fotodiodnim senzorom je korišćen za merenje snage lasera. Termalna merenja su rađena na suvim, preparovanim uzorcima insekata, bez prethodne pripreme. Uzorci su montirani na nosače, a temperatura supstrata je kontinuirano merena tokom eksperimenta.

3.3.2.2 FTIR spektroskopija

Infracrvene (IC) spektralne karakteristike krila insekata su merene na instrumentu Nicolet 6700 Fourier Transform Infrared (FTIR) (Thermo Fisher Scientific, Voltam, SAD) metodom prigušene totalne refleksije (ATR) u oblasti od 4000 do 500 cm-1 (2,5-20 µm). Spektri su snimani i analizirani u Omnic softverskom paketu, verzija 7.0.

3.4 Matematički modeli

Uopšteno govoreći, matematički modeli služe za opisivanje različitih unutrašnjih procesa fizičkih sistema. Eksperimentalno dobijeni rezultati nam govore samo o krajnjem odzivu određenog sistema, ali ne i o načinu na koji dolazi do produkcije nekog efekta. Da bismo to otkrili potrebno je da matematički simuliramo sistem na osnovu eksperimentalno izmerenih podataka.

Sistemi analizirani u ovoj studiji su veoma složeni jer dolaze iz prirode. Sastoje se od mnoštva podstruktura sa prilično komplikovanim sastavom materijala. Za opisivanje procesa koji se na njima dešavaju nemoguće je koristiti jednostavne matematičke modele, koji se mogu rešiti prostim matematičkim jednačinama. Stoga smo složene modele proračunavali numeričkim postupcima, kao što je metod konačnih elemenata [180].

Ovaj model nam je poslužio da ispitamo složenu geometriju fotonskih struktura i utvrdimo način interagovanja sa elektromagnetnim talasima. Struktura koja je ispitivana je u odgovarajućem softveru izdeljena na svoje osnovne, manje složene zapreminske jedinice, u kojima je simulirano elektromagnetno polje. Menjali smo geometriju struktura i pratili ponašanje i raspodelu elektromagnetnog polja. Za analizu struktura koje su mogle da se aproksimiraju jednostavnim jednodimenzionalnim modelima korišćen je metod matrice prenosa (engl. “transfer matrix”).

Za praćenje prostiranja svetlosnih zraka unutar struktura, korišćenjem principa geometrijske optike (engl. “ray-tracing”), korišćen je softverski program TracePro.

4. REZULTATI

4.1 Širokopojasne refleksione strukture na krilima Lepidoptera

U ovoj studiji analizirali smo mehanizme nastanka zlatnih i srebrnih obrazaca (širokopojasne refleksione strukture, tj. višeslojne strukture koje reflektuju sve ili veći deo talasnih dužina svetlosti istovremeno) [148] na krilima Lepidoptera. Kao model organizme koristili smo D. chrysitis (sa zlatnim zonama na krilima) i I. lathonia (sa srebrnim zonama na krilima). Ispitivali smo spektralna svojstva krila i ljuspica, kao i njihovu spoljašnju i unutrašnju ultrastrukturu. Predložili smo teoretske modele, koji kombinuju različite fizičke mehanizme i daju objašnjenje za nastanak obojenosti. Diskutovali smo vezu između građe i funkcije ovih struktura i ulogu dobijene obojenosti u biologiji i ekologiji datih vrsta, kao i potencijalnu tehnološku primenu.

4.1.1 Morfološke karakteristike krila i krilnih ljuspica studiranih vrsta Lepidoptera

Strukturna karakterizacija krila i ljuspica je urađena uz pomoć skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM) i nelinearne mikroskopije (NLM).

Na krilima D. chrysitis uočili smo dva tipa ljuspica: ljuspice koje se nalaze na braon-sivim zonama krila i ljuspice na zlatno obojenim zonama krila (Sl. 18(b)). Interesantno je da ljuspice oba tipa imaju vrlo sličnu morfologiju. Razlika je u tome što su braon-sive ljuspice ravne, dok su zlatne blago zakrivljene. Za naše istraživanje su značajnije ljuspice sa zlatnih zona, i u daljem tekstu je opisana njihova morfologija.

Zlatni obrasci se nalaze na dorzalnoj strani prednjih krila moljca i prekriveni su velikim brojem ljuspica koje se međusobno prepokrivaju (Sl. 18(a)). Nismo uočili razliku između baznih (engl. “ground”) i pokrovnih (engl. “cover”) ljuspica.

1 cm

pr G

2 m 100 m 1 m (a) (b) Slika 18. Izgled krila i ljuspica D. chrysitis. (a) Ljuspice u svojoj prirodnoj poziciji na krilu. Umetnuta mikrografija prikazuje krilnu membranu na većem uveličanju, gde se vide hemisferične strukture veličine 300 nm; (b) uvećana slika jedne ljuspice, koja prikazuje lamelarne grebene (G) i poprečna rebra (pr), koji podsećaju na strukturu riblje kosti. Umetnuta slika prikazuje habitus vrste [191]

Na većim uveličanjima SEM vidi se da je gornja lamina ljuspica ornamentisana veoma tankim lamelarnim grebenima (koji su na međusobnom rastojanju od oko 1,8 µm) (Sl. 18(b)). Grebeni su povezani poprečnim rebrima, koja su oblika riblje kosti i grade difrakcionu rešetku sa periodom ispod talasne dužine svetlosti (oko 150 nm). Dvostruka krilna membrana takođe predstavlja važnu optičku komponentu. Debljine je oko 500 nm i prekrivena je velikim brojem nasumično raspoređenih hemisferičnih struktura veličine oko 300 nm (Sl. 18(a)). Na Sl. 19(a) je prikazana jedna delimično oštećena ljuspica, na kojoj se jasno vide unutrašnja i spoljašnja struktura njenih lamina. Možemo da primetimo da spoljašnja (dorzalna) strana gornje lamine (ona koja je okrenuta ka spolja) poseduje izražene gore opisane obrasce, dok je njena unutrašnja (ventralna) strana (okrenuta ka unutrašnjosti ljuspice) hrapava (sa kvržicama veličine manje od 60 nm) i sa linearnim žljebovima direktno ispod grebena (Sl. 19(a)). Spoljašnja strana donje lamine (strana okrenuta ka krilnoj membrani) je glatka (Sl. 19(a)), dok je njena unutrašnja površina potpuno nepravilna (hrapava), prekrivena kvržicama veličine manje od 60 nm (Sl. 19(b)).

spoljašnja površina gornje lamine

unutrašnja površina gornje lamine

(a)

spoljašnja površina donje lamine 5 m unutrašnja površina donje lamine

(b)

500 nm

Slika 19. SEM slika jedne ljuspice D. chrysitis na dva različita uvećanja. (a) Prikaz spoljašnje i unutrašnje strukture lamina ljuspice; (b) uvećana zona unutrašnje površine donje lamine ljuspice sa nepravilnim nanometarskim kvržicama [191]

Ljuspice krila D. chrysitis poseduju snažnu autofluorescenciju, koja je potrebna da bismo ih snimili NLM. Poprečni presek ljuspice, isečene na femtosekundnom laseru, prikazan je na Sl. 20. Unutrašnji prostor ljuspice nije vidljiv usled stapanja gornje i donje lamine, ali smo bili u stanju da procenimo debljinu ljuspice na 300 nm i visinu grebena na 400 nm.

50 m

2 m

Slika 20. SEM slika poprečnog presekadela ljuspice D. chrysitis nakon sečenja na femtosekundnom laseru. Umetnuta slika prikazuje kako izgleda cela ljuspica nakon laserskog sečenja [191]

Koristeći istu metodologiju (SEM i NLM), morfološki smo ispitali strukturu srebrnih zona na krilima I. lathonia. Ova vrsta na ventralnoj strani zadnjih krila poseduje veći broj kružnih obrazaca srebrne boje (Sl. 21(a)). Pomoću SEM je utvrđeno da sve ljuspice srebrnih obrazaca imaju istu morfologiju. Nismo uočili značajne razlike između pokrovnih i baznih ljuspica, osim razlike u veličini: pokrovne su krupnije od baznih.

Gornja (dorzalna) lamina ljuspica sačinjena je od lamelarnih uzdužnih grebena (na međusobnom rastojanju od 1,5 µm) i poprečnih rebara postavljenih u nepravilnim (nejednakim) intervalima, koji formiraju seriju međugrebenskih površina, tzv. prozora, čije dimenzije variraju u rasponu od 1-12 µm (Sl. 21(a)).

Takođe se uočava difrakciona rešetka, tj. tzv. mikro rebra, koja je sa periodom ispod talasne dužine svetlosti (150 nm) i nalazi se na bočnoj strani grebena. Unutrašnjost ljuspica je šuplja, sa nanostubićima, koji odvajaju gornju od donje lamine.

Dok se gornja lamina ljuspica odlikuje veoma detaljno strukturisanom površinom, spoljašnja strana donje (ventralne) lamine je potpuno ravna (Sl. 21(b)). Unutrašnje površine lamina I. lathonia su potpuno glatke, bez ikakve hrapavosti (Sl. 21(a)).

GL G

1cm MR DL T 1 m (a) PR

P 5 m

(b)

20 m

Slika 21. SEM slika ljuspice I. lathonia. (a) Strukturisana spoljašnja površina gornje lamine. Umetnuta slika desno prikazuje uvećan isečak ljuspice, a na umetnutoj slici levo je ventralni prikaz habitusa vrste; (b) glatka spoljašnja površina donje lamine. G - greben, MR - mikro rebra, PR - poprečna rebra, T - trabekula, P - prozor, GL - gornja lamina, DL - donja lamina

4.1.2 Optičke karakteristike krila i krilnih ljuspica studiranih vrsta Lepidoptera

Optički najistaknutija karakteristika moljca D. chrysitis je prisustvo zlatno obojenih struktura na dorzalnoj strani prednjih krila, čiji je spektar analiziran. Dobijeni spektar je širok, sa spektralnom granicom na otprilike 500 nm. Postoji velika sličnost sa spektrom zlata (Sl. 22), čiji refleksioni spektar je preuzet iz literature [182]. Tačan oblik spektralne krive donekle zavisi od ugla između svetlosnog izvora, krila i detektora.

D. chrysitis

jeidinica] [arbitrarna Reflektansa

Talasna dužina [nm]

Slika 22. Refleksioni spektar metala zlata (crvena kriva) i zlatnih obrazaca na prednjim krilima D. chrysitis (crna kriva) [191]

Na slici sa optičkog refleksionog mikroskopa zapažamo da zlatna zona krila D.chrysitis ima gotovo uniforman zlatni odsjaj (Sl. 23(a)). Nasuprot tome, refleksija pojedinačnih ljuspica je žuta, sa pojedinim crvenim i zelenim zonama. Kada se ljuspice preklope pokazuju pojačanu refleksiju i intenzitet boja (Sl. 23(b)). Ako posmatramo ljuspice u transmisiji, pojedinačna ljuspica (u vazdušnom medijumu) je prilično transparentna, sa blagom rezidualnom apsorpcijom (Sl. 23(c)).

Kada ljuspicu potopimo u tečnost odgovarajućeg indeksa prelamanja (1,57, Cargile), Frenelova refleksija je maksimalno smanjena. Tada smo izmerili apsorpcioni spektar pojedinačne ljuspice (Sl. 23(d)), koji je veoma sličan spektru melanina [192], i pokazuje eksponencijalni pad od UV ka IC delu spektra.

20 m 20 m

(a) (b)

Apsorpcija [%] [%] Apsorpcija 10

0 20 m 400 500 600 700 800 900 Wavelength [nm] Talasna dužina [nm]

Slika 23. Optička mikroskopija ljuspica D. chrysitis. (a) Ljuspice na zlatnim obrascima krila pokazuju uniformnu zlatnu refleksiju; (b) dve preklopljene pojedinačne ljuspice; (c) slika pojedinačne ljuspice dobijena transmisionom optičkom mikroskopijom; (d) apsorpcioni spektar pojedinačne ljuspice uronjene u imerzionu tečnost (crna kriva) [191]

Iako morfološki slične, ljuspice sa braon-sivih i zlatnih zona krila se optički razlikuju. Zlatne ljuspice su gotovo potpuno transparentne, dok drugi tip ljuspica sadrži značajnu količinu apsorbujućeg pigmenta, što dovodi do supresije reflektujuće komponente u braon-sivom regionu.

Srebrne zone I. lathonia analizirane su optički i spektralno. Na Sl. 24 prikazan je optički refleksioni spektar jedne takve zone na krilu (crna kriva). Ovaj spektar je po karakteru veoma sličan spektru aluminijumske folije, koji je snimljen radi poređenja (crvena kriva). Ovo nam pokazuje da je svetlost efikasno reflektovana u čitavom vidljivom spektru, što naše oko percipira kao srebrnu boju.

I. lathonia Alu folija

Reflektansa [%] [%] Reflektansa

Talasna dužina [nm]

Slika 24. Optički spektar srebrnog obrasca I. lathonia (crna kriva) i alu folije (crvena kriva)

Optička mikroskopija otkriva da se duž pojedinačnih ljuspica uočavaju jasno odvojene zone različite obojenosti (crvene, zelene i plave) (Sl. 25). Makroskopski, ove zone postavljene jedna do druge ne mogu biti uočene odvojeno, već dolazi do njihovog kombinovanja. Stoga, rezultujuća srebrna obojenost nastaje mešanjem lokalnih spektara [134, 193].

100 µm

Slika 25. Mikroskopska slika dela srebrnog obrasca krila I. lathonia, gde se vidi da pojedinačne ljuspice poseduju lokalne spektre. Makroskopski, ova struktura ima srebrnu obojenost usled mešanja lokalnih spektara

Ljuspice ne poseduju ni najmanju rezidualnu apsorpciju, što je otkriveno nakon potapanja u tečnost odgovarajućeg indeksa prelamanja (1,57, Cargile), nakon čega postaju potpuno prozirne. Takođe, ljuspice imaju različit optički obrazac sa dorzalne i ventralne strane, s obzirom da je spoljašnja strana donje lamine nestrukturisana.

Iako srebrna zona ne poseduje iridescenciju na makroskopskom nivou, pojedinačne ljuspice su iridescentne, odnosno, optički obrazac veoma zavisi od ugla osvetljavanja i/ili posmatranja.

4.1.3 Teorijsko objašnjenje mehanizama produkcije obojenosti studiranih vrsta Lepidoptera

Na osnovu transparentnosti ljuspica D. chrysitis i njihove na prvi pogled jednostavne spoljašnje i unutrašnje strukture, teško je objasniti zlatnu boju krila. Pokazali smo [191] da sve krilne komponente (dvostruki sloj ljuspica, krilna membrana, kao i pigmentne ljuspice sa ventralne strane krila) zajedno učestvuju u produkciji finalnog efekta. Nekoliko fizičkih mehanizama deluju sinergistički: blaga apsorptivnost svake ljuspice, rasejanje na unutrašnjim površinama ljuspice, interferencija svetlosti u okviru svake ljuspice, refleksija svetlosti sa krilne membrane i difrakcija na rešetki gornje lamine.

Prvo smo analizirali kako unutrašnje strukture ljuspica utiču na rasejanje upadne svetlosti. Kao što je prikazano na Sl. 19, unutrašnje površine ljuspica su veoma nepravilne i hrapave. Hrapavost površina procenili smo statistički, preko srednjeg kvadratnog odstupanja (engl. “root mean square”) (RMS), koje iznosi 10-30 nm. S obzirom da je talasna dužina upadne vidljive svetlosti (unutar materijala) mnogo veća od ovih nepravilnih struktura, za procenu rasejanja primenjena je skalarna teorija površinskog rasejanja [194, 195]. Na osnovu ove teorije proračunali smo da je između 1% i 3% upadne radijacije rasejano na svakoj graničnoj površini. Detalji proračuna su prikazani u našem radu [191]. Kao što je očekivano, kraće talasne dužine se više rasejavaju od dužih. Rasejana svetlost ima tendenciju da bude zarobljena unutar hitinskih slojeva na sličan način kao u teksturisanim (sa neravnim površinama) solarnim ćelijama [196]. Lokalni intenzitet svetlosti u ovakvim strukturama uvećan 2n2 puta, a apsorpcija 4n2 puta, gde je n indeks prelamanja [197].

Ovo je potvrđeno i za D. chrysitis koristeći metod konačnih elemenata (MKE) sa periodičnim graničnim uslovima, koji je primenjen na model koji simulira dvosloj ljuspica (Sl. 26(a)). Odgovarajuća raspodela elektromagnetnog polja (Sl. 26(b)) prikazuje njegovo snažno lokalno pojačanje (tamno crvene zone).

pokrovna ljuspica

bazna ljuspica

 = 440 nm (a) (b)

Slika 26. Model koji simulira dvosloj ljuspica D. chrysitis. (a) Geometrija modela za MKE; (b) elektromagnetno polje je pojačano i u pokrovnim i u baznim ljuspicama (tamno crvene zone) {modifikovano prema [191]}

Lokalno pojačanje elektromagnetnog polja usled rasejanja je praćeno pojačanom apsorpcijom kako predviđa model opisan u [197]. Mi smo u manjoj meri modifikovali dati model u cilju što vernijeg opisa ljuspica D. chrysitis. Promena širine snopa upadnog zračenja je zanemarena usled toga što su ljuspice jako tanke (oko 300 nm). Površinska apsorpcija je takođe zanemarena, jer je očekivano da rezidualni melanin bude distribuiran unutar lamina. Uzevši to u obzir, proračunali smo kolika je apsorpcija unutar planarnih slojeva (lamina ljuspice) i koja frakcija upadne radijacije napušta dati sloj, odnosno biva izgubljena. Detalji proračuna prikazani su u [191].

Dobili smo da je približno 70% ukupne upadne radijacije na 380 nm rasejano. Četrdeset procenata rasejane komponente je apsorbovano, dok je ostatak uniformno reflektovan u svim pravcima. Na drugom kraju spektra (iznad 800 nm), svega 20% svetlosti je rasejano, bez značajne apsorpcije.

Zatim smo napravili model krila sa ljuspicama da bismo utvrdili kako dolazi do nastanka zlatne obojenosti. Geometrija krila je takva da uključuje dva sloja ljuspica i dve krilne membrane, kao što je prikazano na našem modelu (Sl. 27(a)).

S obzirom da je originalna struktura dosta složena, morali smo da izvšimo nekoliko nužnih aproksimacija, odnosno uprošćavanja modela. Pretpostavili smo da su spoljašnje površine ljuspica ravne, iako to važi samo za donje lamine, dok su gornje lamine strukturisane sa dva tipa difrakcionih rešetki. To neće predstavljati problem jer će ređa rešetka produkovati difrakcione redove, koji će biti tretirani na sličan način tokom propagacije kroz ljuspicu, sa jedinom razlikom u upadnom uglu. Gusta rešetka nije u stanju da generiše difrakcione redove i nije ušla u kalkulaciju. Unutrašnje površine ljuspica su neravne, sa hrapavošću čije je RMS od 10-30 nm. Krilne membrane su u ovom modelu smatrane ravnim. Frenelova refleksija i transmisija su uzete u obzir na svim površinama, dok su na neravnim površinama u proračun ušli i difuzna (engl. “haze”) refleksija i transmisija sa modifikovanim Frenelovim koeficijentima refleksije i transmisije, kao što je šematski prikazano na Sl. 27(b). Na taj način, simulirali smo gubitke svetlosti putem rasejanja.

Rljp upadno zračenje pokrovna ljuspica

Tlj Rljb difuzna Frenelova refleksija bazna ljuspica refleksija T lj RM

difuzna krilna membrana Frenelova transmisija transmisija

(a) (b)

Slika 27. Geometrija, refleksija i transmisija krila D. chrysitis. (a) Model koji simulira krilo i ljuspice; (b) refleksija i transmisija na neravnim površinama, onako kako su tretirane u modelu. Crne strelice označavaju Frenelovu refleksiju i transmisiju, a crvene strelice difuznu refleksiju i

transmisiju (“haze”). Rljp(b) - refleksija sa pokrovnih (baznih) ljuspica; RM - refleksija sa krilne

membrane; Tlj - transmitivnost pojedinačne ljuspice {modifikovano prema [191]}

Delovi zračenja koji nisu rasejani, već zaista reflektovani, počinju međusobno da interferiraju. Svi ti interferencioni efekti će se odraziti na ono što ćemo detektovati u ukupnom reflektovanom, odnosno transmitovanom zračenju. Proračunavanje rezultujućih refleksionih, odnosno transmisionih spektara zahteva numeričke alatke. Ovde smo primenili metod matrice prenosa, koji je opisan u [ 198] i korišćen za analizu rasejanja i zarobljavanja svetlosti u solarnim ćelijama sa silikonskim tankim filmovima.

Rezultujući refleksioni spektar krila kao celine (crvena kriva na Sl. 28) sastoji se od tri komponente: jedne, koja je reflektovana sa pokrovnih ljuspica, druge, koja je reflektovana sa baznih ljuspica, i poslednje reflektovane sa krilne membrane.

Finalna refleksiona spektralna distribucija celog krila (R) se izražava kao:

(4.1)

Prva komponenta jednačine (Rljp) odgovara refleksiji sa pokrovnih ljuspica, a druga komponenta (TljRljbTlj) odgovara transmisiji kroz pokrovne ljuspice (Tlj), posle koje sledi refleksija sa baznih ljuspica (Rljb) i povratni put svetlosti kroz pokrovne 2 2 ljuspice (Tlj). Treća komponenta (Tlj RMTlj ) opisuje transmisiju kroz pokrovne i bazne 2 ljuspice (Tlj ), posle koje sledi refleksija sa krilne membrane (RM) i povratni put svetlosti 2 kroz oba sloja ljuspica (Tlj ) (Sl. 27(a)). Spektralni doprinos krilnih komponenti značajno zavisi od njihove geometrije, npr. od debljine ljuspica ili krilne membrane.

Kako smo već naveli, gubici su najveći unutar plavog-UV dela spektra (plava kriva na Sl. 28). Na osnovu proračuna, većina svetlosne energije je apsorbovana, a ostatak je rasejan. Interesantno je primetiti da je značajan deo radijacije transmitovan preko krilnih membrana (zelena kriva na Sl. 28). Ipak, UV komponenta transmitovane radijacije je efikasno apsorbovana od strane tamnih, pigmentisanih ljuspica, na suprotnoj strani krilne membrane.

gubici transmitansa teorijska eksperimentalna

krila reflektansa reflektansa

Talasna dužina [nm] Transmitansa, reflektansa, gubici [relativna jedinica] jedinica] [relativna gubici reflektansa, Transmitansa,

Slika 28. Spektralna reflektansa (crvena kriva) zlatnog obrasca krila D. chrysitis proračunata metodom matrice prenosa. Eksperimentalno dobijeni spektar (crna linija) je prikazan radi poređenja. Gubici usled rasejanja i apsorpcije predstavljeni su plavom, a transmitansa krila zelenom krivom [191]

Važno je istaći da su dimenzioni i optički parametri svake pojedinačne ljuspice veoma varijabilni. Stoga vrednosti ovih parametra variraju ±15% u našim simulacijama. Takođe, vrednost upadnog ugla varira ±20 stepeni, čime je simulirana varijabilnost orijentacije ljuspica.

Kao rezultat, proračunato je 100 različitih refleksionih spektara (radi preglednosti je prikazano samo 25 slika) (svetlo plave krive na Sl. 29). Dobijeni spektri su uprosečeni, uzimajući u obzir našu eksperimentalnu proceduru (zonu krila i ugaonu zavisnost) (tamno plava kriva na Sl. 29). Poređenjem eksperimentalno (tamno plava kriva) i teorijski (crvena kriva) dobijenih spektara, uočavamo da su preklapanja značajna, osim iznad 800 nm.

Finalni oblik spektralne krive zavisi od debljine slojeva i RMS neravnina. Ovi parametri zajedno utiču na konačni oblik spektralne krive, ali je generalno primećeno da povećana debljina slojeva pomera spektar ka crvenom, dok veća nepravilnost (hrapavost) smanjuje intenzitet plavog dela spektra i ukupnu reflektansu. Upravo je to smanjnje plavog dela spektra iz širokopojasnog spektra refleksije uzrokovalo zlatnu boju ljuspica ovog moljca.

jedinica] [relativna Reflektansa

Talasna dužina [nm]

Slika 29. Usrednjavanje 25 refleksionih spektara (svetlo plava boja) krila D. chrysitis. Rezultujući usrednjeni spektar prikazan je tamno plavom bojom, dok je crvenom bojom prikazan eksperimentalno izmeren spektar [191]

Svi gore navedeni teorijski modeli su primenljivi i na srebrne ljuspice I. lathonia, jer su po strukturi principijelno slične ljuspicama D. chrysitis, pa su i mehanizmi nastanaka obojenosti slični.

Nastanak srebrne obojenosti na ljuspicama I. lathonia je rezultat jednostavnog mešanja lokalnih spektara u detekcionom sistemu (npr. oku) [134]. Generalna građa pojedinačne ljuspice je prilično jednostavna. Sastoji se od dve lamine, od kojih je gornja (dorzalna) strukturisana, dok donja (ventralna) nije. Između lamina se nalazi vazdušni prostor sa trabekulama koji ih povezuje.

Debljina gornje lamine kreće se od oko 80 nm, u međugrebenskom prostoru, do gotovo 300 nm u regionu grebena (Sl. 21(a)). Rastojanje od gornje do donje lamine nije isto celom površinom. To stvara razliku i u debljini vazdušnog prostora između dve lamine.

Ovakva strukturna organizacija dovodi do koherentnog rasejanja i refleksije vidljive svetlosti, a razlika u debljini slojeva dovodi do formiranja zona različitih obojenosti usled konstruktivne interferencije na različitim talasnim dužinama. U unutrašnjosti ljuspica I. lathonia, nema nepravilnih struktura (hrapavosti) i čitav vidljivi spektar je jednako reflektovan. Na makroskopskom nivou, dolazi do stapanja svih mikrospektara, što rezultuje ukupnim, širokopojasnim, refleksionim spektrom, koji percipiramo kao srebrnu boju [134].

4.2 Prirodni svetlosni talasovodi kutikule Lepidoptera i Coleoptera

U ovom poglavlju opisujemo kutikularne strukture na krilima Lepidoptera i Coleoptera koje produkuju strukturnu obojenost zahvaljujući morfologiji i funkciji svetlosnih talasovoda. Kao model organizme koristili smo J. globulariae (Lepidoptera: Zygaenidae) sa tzv. planarnim tipom talasovoda, kao i H. argentea (Coleoptera: Rutelidae) sa linearnim tipom talasovoda, koji učestvuju u produkciji strukturno zelene obojenosti prednjih krila J. globulariae, odnosno pokrilaca H. argentea.

4.2.1 Morfološka i optička analiza kutikularnih struktura J. globulariae

Na dorzalnoj strani prednjih krila J. globulariae postoje dva tipa ljuspica (Sl. 30(a)), koja su morfološki potpuno različita (duguljaste i kratke). Mikrografije sa SEM prikazuju detaljnu strukturu površine i unutrašnjosti ljuspica ovog moljca. Duguljaste, strukturno obojene ljuspice su duge od 150-180 µm, a široke oko 20 µm čitavom dužinom ljuspice (Sl. 30(b)). Kratke, pigmentno obojene ljuspice su dužine oko 80 µm, a široke su od 10 µm, u osnovi, do 40 µm, pri vrhu ljuspice (Sl. 30(c)). Duguljaste ljuspice su odgovorne za strukturnu obojenost, te nam je njihova morfologija stoga interesantna. Na gornjoj lamini duguljastih ljuspica uočavaju se uzdužni grebeni visine do 1 µm, koji se nalaze na međusobnom rastojanju od oko 3 µm (Sl. 31(a)). Ovi grebeni funkcionišu kao gruba, površinska difrakciona rešetka. Između grebena se prostiru poprečna rebra u nepravilnim intervalima, koja grade nizove zatvorenih zona (tzv. prozore koji se ne otvaraju u unutrašnjost ljuspice) na kojima se nalazi veliki broj sitnih pora promera od 20-100 nm. Ove zatvorene zone (prozori) imaju konkavnu strukturu tipa šoljice, koja se retko sreće na ljuspicama krila leptira (Sl. 31(a)). Dijametar šoljica je od 1,5-4 µm, a njihova dubina je promenljiva duž ljuspice (od oko 0,5-3 µm).

1 cm

(a)

100 µm

5 µm 5 µm

(b) (c)

Slika 30. Izgled ljuspica krila J.globulariae. (a) Dva tipa ljuspica. Na umetnutoj slici prikazan je habitus vrste; (b) deo duguljaste, strukturno obojene ljuspice; (c) deo kratke, pigmentno obojene ljuspice

Poprečni presek ljuspice u nivou šoljice pokazuje da se gornja lamina sastoji iz konkavnog višestrukog sloja (Sl. 31(b)). On se sastoji od pet hitinskih podslojeva debljine od oko 110 nm koji su međusobno razdvojeni slojevima vazduha debljine od oko 90 nm. Unutar vazdušnih slojeva nalaze se vertikalni hitinski stubići koji služe kao potpora hitinskim podslojevima.

Ovakva višeslojna uređenost funkcioniše kao zakrivljena Bragova rešetka i omogućava produkciju boje. Unutrašnjost ljuspice je šuplja, ispunjena krupnim trabekulama (Sl. 31(a)), visine od oko 1,5 µm, koje povezuju gornju i donju laminu. Donja lamina je nepravilna, jednoslojna, debljine od oko 100 nm.

500 nm T

DL (b) 1 µm

(a)

Slika 31. Slojevitost ljuspice J. globulariae. (a) Poprečni presek ljuspice, gde se uočava da se gornja lamina sastoji od konkavnog višestrukog sloja u obliku šoljica, koji gradi pet hitinskih podslojeva. Strelice na slici pokazuju na koji način se svetlost reflektuje unutar šoljice; (b) konkavni višestruki sloj koji se sastoji iz pet hitinskih podslojeva razdvojenih podslojevima vazduha. G - greben; PR - poprečna rebra; T - trabekule; GL - gornja lamina; DL - donja lamina

U optičkom smislu, makroskopski posmatrano, zelena boja dorzalne strane prednjih krila J. globulariae nije uniformno raspoređena na krilima. Ona je više difuzna i sa efektom svetlucanja na čitavoj površini krila. Ovako gledano, obojenost nije preterano upadljiva, već zagasita i bez iridescencije. Za navedenu pojavu odgovorna su morfološki prethodno opisana dva tipa ljuspica, nepravilno raspoređena na krilu (Sl. 32(a)).

Posmatrajući krilo u refleksionom modu optičkog mikroskopa, duguljaste ljuspice intenzivno reflektuje svetlost, dok su kratke ljuspice apsorbujuće. Duguljaste ljuspice imaju strukturnu obojenost, dok su kratke pigmentne, čime objašnjavamo svetlucanje krila.

Pojedinačne duguljaste ljuspice pokazuju izraženu iridescenciju (od plave, preko zelene do žute). Ako se slika iridescentne ljuspice dodatno poveća, vidi se da na njoj postoji niz diskretnih tačaka zelenog i žutog (ponegde i plavog) obojenja (Sl. 32(a)). Obojenost zavisi od ugla pod kojim svetlost padne na neku od struktura ljuspice [152].

Za to je odgovorna višeslojna struktura gornje lamine konkavnog oblika. Ona funkcioniše kao konkavna Bragova rešetka, odnosno predstavlja selektivni filter. Koja talasna dužina će biti reflektovana određeno je rastojanjem između slojeva i upadnim uglom svetlosti. Sa Sl. 31(a) vidimo da se upadni uglovi na Bragovu rešetku razlikuju na centru i na bočnim stranama šoljice. Iz tog razloga, boja reflektovane svetlosti sa ove dve zone je različita, što potvrđuje Sl. 32(a).

Poredeći slike sa optičke mikroskopije i SEM, postoji tačna korespondencija između površinske morfologije i uočenog optičkog (bojenog) obrasca. Za svetlost koja upada pod pravim uglom, ravni delovi između šoljica i unutar svake šoljice su žute boje, a bočne, kose strane su zelene ili plave, u zavisnosti koji deo strukture je pogođen svetlosnim snopom. Ove diskretne tačkaste zone suviše su male da bismo ih na makroskopskom nivou videli odvojeno. Na tom nivou one se mešaju i stapaju, dajući zelenu obojenost.

Reflektansa čitavog krila merena je optičkom mikrospektroskopijom. Osim toga, merena je i ugaona zavisnost refleksionog spektra uz pomoć rotacionog nosača. Na Sl. 32(b) je prikazan izgled spektara snimljenih pod intervalom uglova od 10-60°. Spektar je gotovo identičan pod svim uglovima i karakteriše ga širi spektralni maksimum od 450-650 nm. Ovo odgovara percepciji zelene obojenosti, gde pritom reflektansa ostaje ista pod različitim uglovima, čime je potvrđeno da nema iridescencije.

20 µm

100 µm

(a)

[%] Reflektansa

Talasna dužina [nm] (b)

Slika 32. Prikaz krilnih ljuspica dobijen optičkom refleksionom mikroskopijom i reflektansa krila J. globulariae. (a) Mikrografija ljuspica i uvećani prikaz jedne strukturno obojene ljuspice, gde se vidi tačkasta refleksija sa dna (žuto) i bočnih strana šoljica (zeleno) [152]; (b) ugaono merena reflektansa krila J. globulariae (stepeni na slici označavaju ugao pod kojim je merena reflektansa krila)

4.2.2 Morfološka i optička analiza kutikularnih struktura H. argentea

Telo, uključujući i pokrilca balegara H. argentea pokriveno je ljuspicama (skvamama) (Sl. 33(a)). Mikrografije sa SEM otkrivaju njihov raspored, veličinu i oblik. Ljuspice su ovalne, sitne, bazalnim krajem prikačene za površinu pokrilaca. Kada se ova veza sa površinom pokrilaca prekine (npr. trenjem o vegetaciju ili u borbi dva mužjaka), ljuspice vrlo lako otpadaju sa površine tela.

Ljuspice su ovalne, konkavne, dužine od oko 60 µm, širine od oko 40 µm i debljine od 3-4 µm. Gornja (dorzalna) površina ljuspica pokrivena je gusto raspoređenim, vertikalno postavljenim setama, poput dlačica, dužine od 1-4 µm i debljine od oko 500 nm (Sl. 33(c) i (d)). Donja (ventralna) površina ljuspica je potpuno glatka i ravna (Sl. 33(b)).

Pored ovalnih ljuspica, koje su dominantno prisutne na pokrilcima, uočili smo još jedan tip duguljastih ljuspica (Sl. 33 (a)). One su valjkastog oblika, dužine od oko 100 µm i širine od oko 20 µm. S obzirom da su duguljaste ljuspice retko raspoređene na pokrilcima, nisu bile predmet ove studije. Sve dalje analize i proračuni odnose se isključivo na ovalne ljuspice, koje su brojčano dominantne.

Nakon pokušaja da mehanički skinemo ljuspice, neke od njih su se prelomile, otkrivajući unutrašnju strukturu. Sa ovih mikrografija, uočava se veći broj nepravilno raspoređenih slojeva, naslaganih jedan iznad drugog, paralelno površini ljuspice (Sl. 34(a)). Debljina pojedinačnog sloja procenjena je na oko 100-200 nm. Ovakva organizacija lokalno može da funkcioniše kao Bragova rešetka i produkuje boju mehanizmom koherentnog rasejanja. Ipak, generalna organizacija svakog od ovih slojeva je prilično neuređena. Svaki pojedinačni sloj odlikuje se strukturisanom površinom, koju gradi lateralno raspoređena mreža grebena, u vidu štapića širine od oko 80 nm, sa međusobnim rastojanjem od oko 90 nm, što dodatno doprinosi rasejavajućoj ulozi (Sl. 34(b)).

20 µm

1 cm

. b)

20 µm

1 µm

d) 50 µm a)

Slika 33. Prikaz elitralnih ljuspica H. argentea dobijen pomoću SEM. (a) Površina pokrilaca sa ljuspicama. Na umetnutoj slici prikazan je habitus mužjaka; (b) donja (ventralna), glatka površina ljuspice; (c) gornja (dorzalna) površina ljuspice pokrivena gustim dlačicama; (d) uvećani prikaz dlačica gornje (dorzalne) površine ljuspice

2µm

(a)

100 nm (b)

Slika 34. SEM mikrografije unutrašnje strukture ljuspica H. argentea. (a) Prelomljena ljuspica, na kojoj se vide hitinski slojevi sa mrežom nepravilnih lateralnih grebena; (b) lateralni grebeni prikazani na većem uveličanju

U optičkom smislu, primerci H. argentea, koje smo izučavali, odlikuju se prisustvom zelenih ljuspica koje su postavljene na braon-crvenkastoj površini pokrilaca (Sl. 14). Na makroskopskom nivou, insekt nije uniformno zelene obojenosti, zbog toga što ljuspice nisu dovoljno gusto postavljene da bi u potpunosti pokrile crvenkastu površinu elitri. Osim toga, ni delovi pokriveni ljuspicama ne poseduju metalik, već mat obojenost i makroskopski gledano nema iridescencije.

Refleksioni spektar pokrilaca pokrivenih ljuspicama je izmeren pomoću mikrospektrometra i prikazan je na Sl. 35. Karakterističan je po izraženom maksimumu refleksije na oko 500 nm koji je odgovoran za percepciju zelenkaste obojenosti, s tim da visoka reflektansa do 700 nm blago desaturiše opaženu obojenost. Perceptivno ovakav spektar korelira sa zeleno-žućkastom obojenošću pokrilaca insekta.

Ako se spustimo na nivo pojedinačnih ljuspica, na većim uveličanjima mikroskopa, uočavamo da poseduju iridescenciju i da, u zavisnosti od upadnog ugla, mogu biti plavičasto-zelene do žućkaste (Sl. 36(a)).

[%] Reflektansa

Talasna dužina [nm]

Slika 35. Refleksioni spektar pokrilaca H. argentea

Još jedna veoma interesantna karakteristika ovog insekta je da, kada mu se pokrilca pokvase vodom, promene boju iz zelene u crvenkastu (Sl. 36(a)). Ta promena nije trenutna, već postepena i zahvata ljuspicu po ljuspicu. Ovo sugeriše da je promena boje rezultat apsorpcije vode na ljuspicama. To smo i potvrdili tako što smo skinuli nekoliko ljuspica sa pokrilaca i nakvasili ih vodom. Posle nekog vremena (0,5 min), zelene ljuspice promenile su obojenost u braonkasto-crvenu nijansu (Sl. 36(b)). Ova promena je reverzibilna. Nakon što voda ispari, ljuspice povrate svoju prvobitnu, zelenu obojenost, što smo potvrdili kroz nekoliko ciklusa kvašenja i sušenja pokrilaca i pojedinačnih ljuspica.

± H2O

60 µm 60 µm

(a)

± H2O

60 µm (b) 60 µm

Slika 36. Prikaz suvih i nakvašenih pokrilaca i ljuspica H. argentea. (a) Izgled suvih (levo) i nakvašenih pokrilaca (desno); (b) izgled suvih (levo) i nakvašenih pojedinačnih ljuspica (desno)

4.2.3 Optički modeli krila Lepidoptera, pokrilaca Coleoptera i ljuspica

U ovom potpoglavlju predstavićemo teorijske optičke modele krila Lepidoptera, pokrilaca Coleoptera i ljuspica na njima, koji su nam poslužili da otkrijemo na koji način ove strukture produkuju strukturnu obojenost.

U slučaju vrste J. globulariae, napravili smo dva modela koja smo međusobno uporedili. Jedan model je napravljen tako da simulira opisanu višeslojnu, konkavnu morfologiju ljuspica (Sl. 37(a)), a drugi je ravni model (Sl. 37(c)), koji će nam pokazati kako bi distribucija elektromegnetnog polja i refleksioni spektar izgledali, da je višeslojna gornja lamina ljuspica potpuno ravna. Modeli su korišćeni u metodi konačnih elemenata za procenu raspodele elektromagnetnog polja i spektralne varijacije reflektanse.

Ono što se iz prvog modela jasno vidi je lokalizacija elektromagnetnog polja unutar ljuspica, odnosno uvođenje zračenja po principu planarnih talasovoda (Sl. 37(b)). Dobijeni refleksioni spektar pokazuje očekivani maksimum na oko 500 nm, što odgovara opaženoj boji krila (Sl. 36(d)). Pod istim uslovima merenja, dobijen je refleksioni spektar sa ravnog modela, koji takođe pokazuje maksimum reflektanse na oko 500 nm (Sl. 37(e)). Razlika između ova dva modela je u intenzitetima reflektansi. U modelu sa konkavnim strukturama, maksimalni intenzitet refleksije iznosi oko 10%, dok u modelu ravnog višesloja vrednost intenziteta refleksije dostiže 65%. Postoji još jedna važna razlika između ova dva modela, a to je ugaona zavisnost obojenosti. Kod strukture sa konkavnim slojem, boja ostaje ista pod različitim uglovima, dok se kod ravnih ona menja u zavisnosti od upadnog ugla.

konkavna višeslojna struktura ravna višeslojna struktura

λ = 490 nm λ = 670 nm (a) (b) (c)

10 65

5 35

[%] Reflektansa

0 5 400 550 750 400 550 750

Talasna dužina [nm] (d) (e)

Slika 37. Optički modeli ljuspica i teorijski refleksioni spektar krila J. globulariae. (a) Model šoljica na ljuspici korišćen u MKE; (b) distribucija elektromagnetog polja na dve talasne dužine pokazuje snažnu lokalizaciju unutar slojeva ljuspice (crvene zone); (c) model ravnog višesloja korišćen u MKE; (d) teorijski refleksioni spektar krila dobijen MKE za model šoljica pod (a); (e) teorijski refleksioni spektar krila dobijen MKE za model ravnog višesloja pod (c)

U slučaju vrste H. argentea, takođe smo napravili dva modela pokrilaca, čime smo želeli da utvrdimo ulogu ljuspica sa dlačicama i procenimo doprinos dlačica refleksionom spektru. U tom smislu, prvi model podrazumeva pokrilca sa ljuspicama koje imaju nepravilnu unutrašnju strukturu i dlačice na gornjoj (dorzalnoj) površini (Sl. 38(a)), dok se drugi model odnosi na pokrilca sa ljuspicama koje imaju istu unutrašnju organizaciju, ali su bez dlačica, odnosno imaju glatku gornju (dorzalnu) površinu (Sl. 38(b)).

Metodom konačnih elemenata je utvrđena raspodela elektromagnetnog zračenja na tako modeliranim pokrilcima. Model pokrilaca sa ljuspicama koje poseduju dlačice na površini nedvosmisleno potvrđuje da dlačice funkcionišu kao linearni talasovodi, uvodeći svetlost unutar ljuspica, poput pravih optičkih vlakana (Sl. 38(a)). Na drugom, ravnom modelu pokrilaca, svetlost ravnomerno pada na površinu ravnih ljuspica, dok u njihovu unutrašnjost dospeva manja količina svetlosnog zračenja (Sl. 38(b)).

(a) (b)

Slika 38. Modeli ljuspica H. argentea i distribucija elektromagnetnog polja. (a) Model ljuspica koje na površini imaju dlačice (levo) i distribucija elektromagnetnog polja (desno), koja pokazuje da je ono uvedeno unutar strukture preko ljuspica (crvene zone); (b) model glatkih ljuspica (bez dlačica) (levo) i ravnomerna distribucija elektromagnetnog polja (desno) na njihovoj površini i manje uvođenje zračenja unutar ljuspice

Kada smo u navedene modele uključili blagu apsorpciju jer su ljuspice i pigmentisane, proračunali smo teorijske refleksione spektre. Preliminarni rezultati sugerišu da dlačice na ljuspicama uvode i pomažu apsorpciju dela spektra od 550-750 nm, dok je deo spektra od 400-550 nm reflektovan i odgovara opažanju zelenkaste boje pokrilaca (Sl. 39(a)). Na modelu ravnih ljuspica, intenzitet refleksije je veći i gotovo jednak duž čitavog spektra.

0.06 0.22

0.03 0.15

Reflektansa [%] [%] Reflektansa

0 0

400 550 750 400 550 750

(a) Talasna dužina [nm] (b)

Slika 39. Teorijski refleksioni spektar krila H. argentea dobijen MKE za (a) model ljuspica sa dlačicama [za model sa Sl. 38(a)] i (b) za model glatkih ljuspica (bez dlačica) [za model na Sl. 38(b)]

4.3 Doprinos fotonskih kutikularnih struktura radijativnoj termalnoj regulaciji Coleoptera

Fotonske strukture insekata uglavnom funkcionišu u vidljivom delu spektra, produkujući strukturnu obojenost. U ovom poglavlju želimo da pokažemo da one imaju značajnu ulogu i u oblasti IC zračenja.

Telo strižibube R. alpina u osnovi je sivo, sa nekoliko istaknutih crnih mrlja na pokrilcima. Ove izrazito intenzivno crne mrlje privukle su našu pažnju. Pokrilca ove vrste prekrivena su gustim tomentumom, kojeg čine dve vrste kutikularnih struktura: crne ljuspice (na crnim mrljama) i sive dlačice (na ostatku površine pokrilaca). Cilj nam je bio da utvrdimo uticaj ovih struktura na apsorptivna i emisivna svojstva kutikule i sveukupni termalni balans insekta. Sproveli smo čitav niz dobro kontrolisanih optičkih i termalnih merenja, uradili smo detaljnu morfološku analizu navedenih fotonskih struktura na elitrama i razvili odgovarajući termo-optički model [171]. Određena, preliminarna merenja i analize primenili smo i na M. asper funereus, koji je na prvi pogled sličan R. alpina, ali za koga se ispostavilo da ima sasvim drugačije mikrostrukture (ljuspice) na crnim mrljama pokrilaca.

4.3.1 Fotonske strukture na pokrilcima: morfološko-optička karakterizacija

Veličina analiziranih primeraka vrste R. alpina je bila u okviru standardnih dimenzija navedenih u [165]. Pokrilca R. alpina su gotovo ravna, izdužena, tanka i krta. Anatomija čitavog insekta snimljena je uz pomoć kompjuterizovane mikrotomografije na rezoluciji od 13,5 µm. Iz navedenih merenja (Sl. 40(a)) se procenjuje da su pokrilca R. alpina homogena, bez ikakvih šupljina i fluida, debljine od oko 60 µm. Na datim snimcima, uočava se veliki prostor između pokrilaca i abdomena, u kojem su smeštena sklopljena zadnja, letna krila (alae). Ovaj prostor funkcioniše i kao termoizolujući sloj.

1 cm

(a)

2 mm

ljuspice

(b) (b) 60 µm

1 mm

Slika 40. Prikaz pokrilaca R. alpina snimljen pomoću kompjuterizovane mikrotomografije. (a) 3D rekonstrukcija. Na umetnutoj slici prikazan je habitus vrste; (b) pojedinačni poprečni presek abdomena i pokrilaca u nivou crnih mrlja. Na uvećanom delu slike uočavaju se ljuspice [171]

Svi naši primerci poseduju uobičajeni dorzalni obrazac pokrilaca [165]. U osnovi su sive, sa šest skoro simetričnih crnih mrlja. Zadnje mrlje su najmanjih dimenzija, dok su središnje najkrupnije (Sl. 12).

Mikrografije sa SEM otkrivaju detaljnu morfologiju pokrilaca. Ljuspice na crnim mrljama su postavljene gotovo vertikalno na površinu eliti (Sl. 40(b)), spljoštene su (debljine od 1-2 µm, širine od 20 µm i dužine od 100 µm), asimetrične i donekle slične ljuspicama krila leptira. One su okrenute jedna ka drugoj, dodiruju se vrhovima i formiraju grupacije ljuspica nalik na male šatore, postavljene na međusobnom rastojanju između 10 µm i 20 µm (Sl. 41(a)).

Kutikula površine pokrilaca između ljuspica je hrapava, sa nepravilnim, poligonalnim udubljenjima (Sl. 41(b)). Za razliku od crnih mrlja, siva oblast pokrilaca je pokrivena transparentnim, polegnutim dlačicama (Sl. 41(c)), dok je kutikula površine pokrilaca između njih crna i sjajna. Zajedno, dlačice i okolna kutikularna površina daju somotasti plavičasto-sivi izgled pokrilcima.

Na većim uveličanjima SEM, jasno se vidi da pojedinačne ljuspice R. alpina, na svojoj površini, poseduju strukture nalik na difrakcione rešetke (Sl. 42). Gruba rešetka (Sl. 42(a)) sa periodom od 1 µm se prostire duž ljuspice. Fina, nepravilna rešetka sa periodom ispod talasne dužine svetlosti (oko 100 nm) nalazi se na gruboj rešetki (Sl. 42(b)).

100 m 20 m (a) (b)

20 m

(c)

Slika 41. SEM mikrografije pokrilaca R. alpina. (a) Ljuspice na crnoj mrlji grade strukture poput šatora; (b) hrapava površina između ljuspica, sa poligonalnim udubljenjima; (c) polegle dlačice na sivoj zoni [171]

20 m 20 22mm  (a) (b) gr Slika 42. SEM mikrografije ljuspice sa crne mrlje pokrilaca R. alpina. (a) Pojedinačna ljuspica; (b) gruba difrakciona rešetka (gr) ljuspice (sa periodom od 1 m) i na njoj fina difrakciona rešetka (fr) ljuspice, oblika riblje kosti (sa periodom ispod talasne dužine svetlosti), snimljene na većem uveličanju [171]

Sa optičke tačke gledišta, sive i crne strukture imaju sasvim suprotne funkcije. Siva zona je lako vidljiva usled intenzivnog rasejanja (Sl. 43(a)), dok crne mrlje snažno apsorbuju svetlost, tako da su samo refleksije sa poligonalnih udubljenja delimično vidljive [samo na slikama optičke mikroskopije na Sl. 43(a) i (b) na dva uveličanja].

Ljuspice su snažno pigmentisane, sa transmitivnošću koja postepeno raste od plavog ka crvenom delu spektra, što se najlakše uočava razdvajanjem kolorne slike na RGB komponente (Sl. 44(a)). To je potvrđeno spektrom pojedinačne ljuspice, koji je prikazan na Sl. 44(b), i podseća na spektar melanina [192], čestog pigmenta kutikule tamno obojenih insekata.

Reflektansa crnih elitralnih mrlja R. alpina je procenjena na osnovu optičkih snimaka, koji pokazuju da je reflektansa u plavom i zelenom delu spektra 2,6%, dok je u crvenom delu spektra nešto veća, tj. 3,5%.

Transmitivnost crnih mrlja u IC delu spektra je merena između 2,5 µm i 15 µm pomoću FTIR spektrometra. Rezultujući spektar pokazuje dva snažna transmisiona minimuma na oko 3 µm i 6 µm (Sl. 44(c)), koji odgovaraju atmosferskim IC prozorima (3-5 µm i 8-14 µm), i u potpunom je slaganju sa spektrom koji je izmeren u radu [199].

siva zona crna mrlja

(a)

100 m

zona pokrivena neravna ljuspicama površina kutikule

(b)

20 m

Slika 43. Prikaz delova pokrilaca R. alpina dobijen optičkom mikroskopijom. (a) Granična oblast sive zone i crne mrlje. Na crnoj mrlji, ljuspice su samo tamna senka (zelena strelica) na nepravilnoj kutikularnoj površini (crvena strelica); (b) crna mrlja prekrivena ljuspicama na većem uveličanju, na kojoj je vidljiva samo nepravilna refleksija sa ivica poligonalnih udubljenja (videti Sl. 41(b)) [171]

100

80 B 60

40 Transmisija [%] [%] Transmisija Transmission[%]

G 20 20 m

0 400 500 600 700 800 TalasnaWavelength dužina [nm] [nm] (b) R (a)

100

60 (c)

[%] Transmisija Transmission[%]

0 4 6 8 10 12 14 TalasnaWavelength dužina [m] [µm]

Slika 44. Transmisiona i IC svojstva ljuspica i crnih mrlja na pokrilcima R. alpina. (a) Pojedinačna ljuspica snimljena u transmisionom modu (desno) i njene RGB komponente (levo). Transmisija postepeno raste od plavog ka crvenom delu spektra; (b) transmisioni spektar pojedinačne ljuspice raste ka crvenom delu spektra; (c) IC spektar crne mrlje na pokrilcima (sive zone na grafikonu predstavljaju spektralne opsege osetljivosti IC kamera) [171]

Obojenost i obrasci na pokrilcima srodnog taksona M. asper funereus su, gledajući golim okom, veoma slični onima kod R. alpina, sa četiri crne mrlje na sivkastoj podlozi. Međutim, već u gruboj morfologiji se uočavaju razlike između ove dva taksona. Anatomski snimci dobijeni pomoću kompjuterizovane mikrotomografije pokazuju razliku u obliku i debljini njihovih pokrilaca. Ona su kod M. asper funereus elipsoidalna, sklerotizovana i čvrsta, debljine od oko 350 µm. Između abdomena i pokrilaca smeštena su jako redukovana krila, koja nemaju sposobnost letenja.

1cm

10 µm

crna mrlja

100 µm

(b) siva zona 200 µm

(a)

40 µm 10 µm

20 µm 1 µm (c) (d)

Slika 45. SEM mikrografije pokrilaca M. asper funereus. (a) Granična površina između sive zone i crne mrlje (crvena strelica ukazuje na brežuljkasto ispupčenje). Na umetnutoj slici prikazan je habitus vrste; (b) gusto postavljene ljuspice na crnoj mrlji. Na umetnutoj slici uočava se da je kutikularna površina između ljuspica ravna; (c) ljuspice su blago zakrivljene i postavljene pod uglom od oko 20° u odnosu na površinu pokrilaca. Na umetnutoj slici prikazana je pojedinačna crna ljuspica; (d) gruba (gore levo) i fina difrakciona rešetka na površini ljuspica (dole desno)

Na finijoj skali, uz pomoć SEM, uočavamo da postoji velika morfološka razlika između ljuspica koje se nalaze na crnim mrljama kod R. alpina i M. asper funereus. M. asper funereus poseduje ljuspice koje su veoma gusto, gotovo vertikalno postavljene na površinu pokrilaca, poput dlačica na somotu (Sl. 45(a) i (b)). Kutikularna površina pokrilaca između ljuspica je ravna, bez poligonalnih udubljenja (Sl. 45(b)).

Na većim uveličanjima uočavamo da ljuspice M. asper funereus nisu potpuno ravne, već su blago konkavne i u odnosu na kutikulu postavljene pod uglom od oko 20° (Sl. 45(c)). Dužine su oko 80 µm, širine oko 10 µm, a debljine oko 2 µm. Na svojoj površini poseduju dva tipa difrakcionih rešetki: grubu, uzdužnu, sa periodom od 1 µm, i na njoj finu rešetku, sa periodom ispod talasne dužine svetlosti (Sl. 45(d)). Sivi deo pokrilaca je pokriven dlačicama (Sl. 45(a)).

siva zona

20 µm 200 µm crna mrlja (a) (b)

siva zona

crna mrlja

Talasna dužina [nm]

Slika 46. Optička karakterizacija i refleksioni spektri sivih zona i crnih mrlja na pokrilcima M. asper funereus. (a) Granična površina između sive zone i crne mrlje snimljena optičkom mikroskopijom; (b) pojedinačna ljuspica u imerziji; (c) refleksioni spektri crne mrlje i sive zone

U optičkom smislu, crne mrlje su veoma apsorptivne, a pojedinačne ljuspice na njima teško se uočavaju [Sl. 46(a), levo na slici]. Sivi deo je visoko reflektivan i jasno vidljiv, a uočava se i snažna refleksija sa glatkih vrhova brežuljkastih ispupčenja kutikule [Sl. 46(a), desno na slici]. Pojedinačne ljuspice snažno su pigmentisane (zbog prisustva melanina), što im omogućava bolju apsorpciju (Sl. 46(b)). Izmereni su spektri reflektanse crnih mrlja i sivih zona (Sl. 46(c)), sa kojih se očitava visoka apsorptivnost crnih mrlja.

Transmitivnost u IC delu spektra odgovara transmitivnosti hitina u IC delu spektra [199].

4.3.2 Merenje i modelovanje termalnih osobina pokrilaca

Snimanje i procena termalnih karakteristika odabranih taksona tvrdokrilaca obavljeni su uz pomoć dve IC kamere. U termičkoj ravnoteži, dorzalna površina insekata je bila uniformna (Sl. 47(a)), bez ikakve razlike između sive zone i crnih mrlja na pokrilcima (u oba termalna opsega). Ova činjenica pokazuje da sive zone i crne mrlje jednako doprinose radijativnoj razmeni energije. Ipak, postoje razlike u emisivnosti insekata u ova dva spektralna opsega, pri čemu je emisivnost bila nešto veća za termalni opseg od 1,5-5,1 µm.

U cilju simuliranja uslova sredinskog zračenja, koristili smo blic lampu da uniformno ozračimo čitava tela insekata. Zatim smo analizirali zagrevanje i hlađenje tela koristeći IC kamere (merenja u oba termalna opsega imaju sličan karakter, stoga će biti prikazana merenja samo jedne od kamera, opsega od 7,5-13 µm) [200]. Očekivano, crne mrlje su efikasno apsorbovale svetlosnu energiju i konvertovale je u toplotnu (Sl. 47(b)). Kod R. alpina ovo je praćeno brzim porastom temperature od skoro 7°C na crnim mrljama, dok je porast temperature za sivi deo pokrilaca bio niži (Sl. 47(b)). To dokazuje da crne mrlje efikasnije apsorbuju vidljivu svetlost od sivog dela pokrilaca.

30 C] C] ° 29

27 26 Temperature[C] Temperatura [ Temperatura

23 (a) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 VremeTime [s] [s] (b)

C] C] ° 40

30 Temperature[C] Temperatura [ Temperatura

0 5 10 15 20 (c) VremeTime [s] [s]

C] C] °

(d)

[ Temperatura Vreme [s]

Radijalna pozicija

Slika 47. Prikaz termalnih analiza R. alpina. (a) IC slika u termalnom ekvilibrijumu (crne mrlje na pokrilcima nisu uočljive); (b) IC slika nakon ozračavanja blic lampom (levo) i odgovarajući grafik promene temperature crne mrlje (crna kriva na grafiku) i sive zone na pokrilcima (crvena kriva na grafiku) (desno); (c) crna mrlja zagrejana laserskim snopom (7,5 s) (levo) i temperaturna promena u centru laserskog snopa (desno);(d) vremenska varijacija radijalno simetrične temperaturne distribucije laserom zagrejane crne mrlje [171]

Da bismo kontrolisano analizirali termalne karakteristike crnih mrlja R. alpina, osvetlili smo ih laserom talasne dužine 405 nm i gustine energije od 1,67 mJ/mm2. IC slika insekta osvetljenog laserom je prikazana na Sl. 47(c). Iako je korišćena mala snaga lasera, crne mrlje R. alpina su efikasno apsorbovale radijaciju i temperatura mrlja je porasla za 20°C (temperaturna promena je prikazana na Sl. 47(c)). Prostorna varijacija temperature na crnoj mrlji je radijalno simetrična (videti cirkularnu svetlu tačku i odgovarajuću radijalnu distribuciju intenziteta na Sl. 47(c)). Radijalna distribucija temperature kutikule pokrilaca varira tokom ozračivanja i brzo dostiže stabilno stanje (Sl. 47(d)), bez značajnog širenja toplote van crne mrlje, što znači da je termalna konduktivnost pokrilaca mala.

Relativni doprinos svakog od tri osnovna mehanizma razmene toplote, pojedinačno, na pokrilcima R. alpina, proračunali smo na osnovu teorijskog termalnog modela korišćenog u [201, 202], a koji je za modelovanje pokrilaca nešto uprošćen. Ovaj model uključuje sva tri mehanizma i opisan je diferencijalnom jednačinom (detalji proračuna prikazani su u [171].

Model pretpostavlja da je temperatura kroz pokrilca uniformna (jer su pokrilca tanka) i da je termalna konduktivnost duž pokrilaca toliko mala da se može zanemariti. Jedini mehanizmi disipacije toplote uzeti u obzir su radijacija i gubitak toplote preko okolnog vazduha kondukcijom i konvekcijom. Hitin i kutikularni proteini su dominantna jedinjenja koja izgrađuju pokrilca [138, 144]. Naši proračuni su bazirani na literaturnim podacima o fizičkim svojstvima kutikule [203, 204] i hitina [145, 205].

Numeričkim proračunom, utvrdili smo da je radijativno hlađenje najznačajniji mehanizam prenosa toplote, jer su temperaturni gubici putem radijacije za manje od sekunde dostigli 50% (Sl. 48).

radijacija

konvekcija

Toplotni gubici [%] kondukcija

Vreme [s]

Slika 48. Doprinos radijativnih (plava kriva), konvektivnih (crvena kriva) i konduktivnih (zelena kriva) gubitaka ukupnim termalnim gubicima na pokrilcima R. alpina [171]

Upoređivanjem odnosa između zračenja koje R. alpina prima iz okoline i zračenja koje emituje, bili smo u stanju da procenimo temperaturu na kojoj insekt postiže energetsku ravnotežu. Ovaj rezultat je dobijen uzimajući u proračun normalni upadni ugao radijacije u odnosu na pokrilca insekta i maksimalnu insolaciju (1 kW/m2).

Ukupna apsorbovana energija u vidljivom delu spektra na pokrilcima R. alpina jednaka je:

(4.1)

gde je PA ukupna apsorbovana energija na pokrilcima, PS je solarna konstanta,

AB je apsorptivnost crnih mrlja na pokrilcima, SB je ukupna površina crnih mrlja na pokrilcima, AG je apsorptivnost sive zone pokrilaca, dok je SG ukupna površina sive zone na pokrilcima.

Sa druge strane, IC energija koja je emitovana sa površine pokrilaca izražena je kao:

(4.2)

gde je PE ukupna energija emitovana sa površine pokrilaca unutar dva IC atmosferska prozora, ST je ukupna površina pokrilaca (ST = SB + SG), M je emisivnost u srednjem IC prozoru (M = 3-5 m), F je emisivnost u dalekom infracrvenom prozoru

(F = 8-14 m), EM je izračena energija crnog tela u srednjem IC prozoru, a EF je izračena energija crnog tela u dalekom IC prozoru.

U sledećem koraku odredili smo temperaturu koja odgovara ravnoteži između radijativnih dobitaka u vidljivom delu spektra i radijativnih gubitaka u IC delu spektra, tako što je PA=PE (Kirhofov zakon):

(4.3)

Numeričkim proračunom jednačine (4.3) i korišćenjem Plankovog zakona (iz EM i EF), utvrdili smo da se radijativni balans između apsorbovane i emitovane radijacije postiže na temperaturi između 300 K i 310 K (26°C i 36°C), što je blizu maksimalnih dnevnih temperatura u letnjim mesecima umerenog klimata, gde R. alpina živi [206]. Ovo se odnosi na slučaj najekstremnijih uslova, u smislu najsnažnijeg radijacionog zračenja. Ipak, međusobna pozicija insekta u odnosu na Sunce varira u toku dana, a radijacioni balans se postiže na nižim temperaturama u nekoj prosečnoj situaciji.

Za podvrstu M. asper funereus izvršena su određena preliminarna merenja koja pokazuju da, takođe, postoji jasna razlika apsorptivnih svojstava sivih zona i crnih mrlja pokrilaca (crne mrlje su efikasno apsorbovale svetlosnu energiju i konvertovale je u toplotnu). Porast temperature na crnim mrljama prilikom korišćenja blic lampe bio je 3°C. Prostorna varijacija temperature na crnim mrljama je radijalno simetrična. Ovo istraživanje je u toku i potrebna su dodatna merenja i analize za neka egzaktnija poređenja i zaključke.

4.3.3 Doprinos kutikularnih struktura pokrilaca apsorpciji vidljivog dela spektra i emisiji IC zračenja

Da bismo utvrdili način na koji dolazi do apsorpcije zračenja u vidljivom delu spektra, kod R. alpina, konstruisali smo dvodimenzionalni optički model crnih mrlja na pokrilcima (Sl. 49) na osnovu SEM mikrografija (Sl. 41). Ovakvo uređenje ljuspica optički funkcioniše kao zamka za svetlost (engl. “beam dump”). Sa tačke gledišta geometrijske optike, zraci koji ulaze u ovu strukturu ostaju zarobljeni unutar nje, reflektujući se nekoliko puta na ljuspicama, čime se efikasno poboljšava apsorpcija (Sl. 49). Ovo je posebno važno za region vidljive svetlosti, gde visoka koncentracija melanina u ljuspicama omogućava snažnu apsorpciju.

1340

m 

11.50

40 m

Slika 49. Optički model crne mrlje na pokrilcima R. alpina, koji funkcioniše kao zamka za svetlost (engl. “ beam dump”) u vidljivom delu spektra. U zavisnosti od upadnog ugla, zraci (linije različitih boja) se mogu reflektovati od 2-4 puta [171]

Kod podvrste M. asper funereus napravljen je trodimenzionalni model, koji simulira uređenje ljuspica na crnoj mrlji pokrilaca (Sl. 50(a)). U ovakvom uređenju, svetlost je takođe višestrukim refleksijama uvedena u unutrašnjost strukture. Takva gusta organizacija ljuspica smanjuje mogućnost povratne refleksije. Na taj način omogućena je efikasna apsorpcija koja se povećava po dubini strukture. Ovo je potvrđeno detaljnom simulacijom prostiranja svetlosnih snopova (engl. “ray-tracing”) na datom modelu. Na Sl. 50(b-e) se vidi jasno povećanje apsorpcije svetlosti sa dubljim ulaskom u strukturu (smanjenje površine plavih zona).

(b) (c)

(a)

(d) (e)

Slika 50. Optički model crne mrlje M. asper funereus i prikaz raspodele zračenja na različitim dubinama modela. (a) Optički model crne mrlje, gde se svetlost višestruko reflektuje na ljuspicama, prolazeći između njih do površine pokrilaca; (b-e) prikaz raspodele zračenja na različitim dubinama strukturnog modela (crvene strelice). Boja na grafikonima označava količinu zračenja koja je prošla do označene dubine modela. Na vrhu strukture je najmanja količina zračenja apsorbovana (b), dok je u bazalnom delu mala količina zračenja ostala neapsorbovana (e)

U slučaju vrste R. alpina, procenili smo doprinos uređenja i strukturisanosti ljuspica ukupnoj apsorptivnosti u vidljivom delu spektra tako što smo napravili još jedan model crne mrlje pokrilaca, u koji su uključeni talasni efekti. Ranije je rečeno da površina ljuspica poseduje dva tipa difrakcionih rešetki (Sl. 42). Stoga je morfologija pojedinačne ljuspice, na mikro nivou (Sl. 51(a)), aproksimirana dvodimenzionalnom elementarnom ćelijom prikazanom na Sl. 51(b). Na Sl. 51(b) konusna struktura A aproksimira grebene grube rešetke sa periodom od 1 µm, dok dve manje bradavičaste strukture B aproksimiraju finiju visokofrekventnu rešetku. Ovaj model je korišćen u metodi konačnih elemenata za proračunavanje distribucije elektromagnentnog polja i spektralne varijacije apsorbance.

Izračunali smo ugaono usrednjenu vrednost apsorpcionog spektra nakon jedne i tri refleksije (Sl. 51(d)). Dobijeni spektri pokazuju da je apsorptivnost značajno veća nakon višestrukih refleksija. Oba spektra su upoređena sa apsorpcionim spektrom ljuspica koje na svojoj površini nemaju difrakcione rešetke (ravna površina) (Sl. 51(d)). Očigledno je da postojanje difrakcionih rešetki na ljuspicama R. alpina udvostručuje količinu apsorbovane radijacije. Ovo je posledica snažne lokalizacije elektromagnetnog polja unutar ljuspica, kako je prikazano na Sl. 51(c).

Teoretski rezultati se poklapaju sa eksperimentalnim, pokazujući 97,4% apsorptivnosti u plavo-zelenom delu spektra. Nepodudarnost je nešto veća u crvenom delu spektra, gde teorija predviđa manju apsorptivnost (80%) u poređenju sa eksperimentom (96,5%). Ovo je zasigurno usled naše nemogućnosti da precizno modelujemo komplikovane kutikularne strukture, a posebno njihovu hrapavost.

B 

0.5 0.5

B A

 (c)

2.5

A 1 m 408,5 nm 800,6 nm (a) (b)

1,0 0,9 trostruka refleksija na 0,8 strukturiranoj ljuspici 0,7 0,6 jedna refleksija na 0,5 strukturiranoj ljuspici 0,4 0,3 refleksija na 0,2 nestrukturiranoj ljuspici 0,1 Ugaono usrednjena apsorbanca apsorbanca usrednjena Ugaono 0,0

Talasna dužina [nm] (d)

Slika 51. Obrazac i model ljuspice R. alpina, distribucija EM polja i apsorpcioni spektar. (a) Karakterističan obrazac na ljuspici. Žuta linija označava jedan period ili liniju rešetke, iskorišćen za dizajn; (b) model ljuspice korišćen u MKE; (c) distribucija elektromagnetnog polja na dve talasne dužine pokazuje snažnu lokalizaciju unutar ljuspica; (d) uticaj površinskog obrasca na ljuspicama i broja refleksija na apsorptivnost crne mrlje. A - rešetka malog perioda (oko 1 µm); B - rešetka visokog perioda (ispod talasne dužine svetlosti) [171]

Nakon analize apsorptivnih svojstava struktura pokrilaca R. alpina u vidljivom delu spektra, analizirali smo i emisivnost u IC delu spektra. U prethodnom poglavlju smo pokazali da je izmerena emisivnost u IC delu spektra identična za sive zone i crne mrlje pokrilaca. Da bismo bolje razumeli IC svojstva pokrilaca, konstruisali smo model crnih mrlja, prikazan na Sl. 52(a), koji simulira ljuspice, zajedno sa nepravilnom kutikularnom površinom pokrilaca između njih. Da bismo utvrdili doprinos ovih struktura emisivnosti, dovoljno je izračunati njihov doprinos apsorptivnosti u IC delu spektra (koja je jednaka emisivnosti, prema Kirhofovom zakonu). Apsorptivnost smo izračunali koristeći MKE.

MKE je pokazao da je IC zračenje lokalizovano unutar površine pokrilaca ili ljuspica (Sl. 52(b)), zavisno od talasne dužine i morfologije pokrilaca. Ovo značajno povećava prirodnu apsorptivnost hitina u IC delu spektra (videti transmisioni spektar, Sl. 44(c)), zahvaljujući povećanom optičkom putu unutar strukture. Da bismo potvrdili doprinos ljuspica apsorptivnosti, takođe smo proračunali apsorptivnost pokrilaca bez ljuspica (modelovano na Sl. 52(c)). Dobijeni apsorpcioni spektri za pokrilca sa i bez ljuspica, na 3-5 µm i 8-14 µm, prikazani su na Sl. 52(d). Uočava se da ljuspice poboljšavaju apsorptivna/emisivna svojstva insekta za više od 20%. Isto je primenjeno i za sivo-plavu zonu pokrilaca R. alpina, koja je pokrivena dlačicama. I ovde smo utvrdili da elitralne dlačice značajno doprinose apsorptivnosti, odnosno emisivnosti pokrilaca.

Slične teorijske procene uticaja uređenja i strukturisanosti ljuspica kod podvrste M. asper funereus su moguće i u fazi su izrade i analize.

m  0 6

m m  0 3

40 m = 5,0 m = 8,9 m (c) (a) (b)

1,0 sa ljuspicama 0,9 0,8 0,7 0,6 bez ljuspica 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

apsorbanca usrednjena Ugaono

Talasna dužina [nm] (d)

Slika 52. IC svojstva crnih mrlja R. alpina. (a) Model strukture crnih mrlja, koji podseća na šator, za MKE; (b) distribucija elektromagnetnog polja na 5 m i 8,9 m; (c) model pokrilaca bez ljuspica korišćen za utvrđivanje doprinosa ljuspica apsorptivnosti; d) ugaono usrednjena apsorbanca pokrilaca sa i bez ljuspica [171]

5. DISKUSIJA

5.1 Biološka uloga širokopojasnih refleksionih struktura Lepidoptera

Mali je broj insekata sa širokopojasnim refleksionim (zlatnim ili srebrnim) strukturama [207, 208]. Što je širi opseg reflektovanih talasnih dužina, to će obojenost biti bliža boji zlata ili srebra [148]. Neki tvrdokrilci, kao što je Chrysina aurigans (Rothschild & Jordan, 1894) (Coleoptera: Scarabaeidae) [209], se odlikuju metalik zlatnom refleksijom, koja nastaje usled postojanja Bragovog ogledala sa promenljivom prostornom učestanošću (engl. “chirped”) unutar kutikule. Kutikula lutaka nekih vrsta Lepidoptera može biti zlatne ili srebrne boje [207, 210]. Neka istraživanja [211] pokazala su da karotenoidni pigmenti mogu doprineti zlatnim metalik zonama na lutkama leptira iz podfamilije Danainae (familija Nymphalidae). Sa druge strane, ima i onih istraživanja [210] koja dokazuju da je zlatna refleksija na lutki vrste Euploea core (Cramer, 1780) (Lepidoptera: Nymphalidae) u potpunosti fizičke prirode, a ne pigmentne, kao i to da karotenoidi u epidermisu navedene vrste ne mogu da doprinesu obojenosti, jer kutikula uopšte ne transmituje žutu svetlost.

Ovakve strukture još su ređe nalažene na krilima Lepidoptera, što ih čini posebno interesantnim [63]. Zlatni obrasci na krilu karakteristični su za neke moljce iz porodice Noctuidae. Ovi obrasci mogu biti mali kao kod Autographa jota (Linnaeus, 1758) i A. bractea (Denis & Schiffermüller, 1775) ili mogu zauzimati nešto veću površinu krila, kao kod Diachrysia balluca Geyer, 1832. Poznato je svega nekoliko vrsta Lepidoptera koje poseduju velike zone na krilu koje se odlikuju širokopojasnom refleksijom. Takva je južnoamerička vrsta Argyrophorus argenteus Blanchard, 1852 sa srebrnom obojenošću čitavih krila.

Jedan od mogućih razloga zašto su ove strukture retke na krilima Lepidoptera je to što je njihov mehanizam nastanka uglavnom vezan za koherentno rasejanje sa višeslojnih periodičnih struktura [134]. Za produkciju ovog fenomena potreban je veći broj ovakvih slojeva.

Stoga su strukture koje poseduju širokopojasnu refleksiju uglavnom deblje (˃ 50 µm) [210], dok ljuspice krila leptira imaju veoma ograničenu debljinu. Najdeblje do sada otkrivene ljuspice Lepidoptera su debljine od oko 5 µm, mada većina vrsta istog reda poseduje ljuspice debljine između 1-2 µm [16, 108].

Generalno gledano, primarni fizički mehanizam, odgovoran za nastanak strukturne obojenosti, je rasejanje [212]. Kada su rasejavajuće strukture dovoljno male, rasejavaju samo najkraće talasne dužine (ljubičastu i plavu), dok su veće talasne dužine transmitovane ili eventualno apsorbovane u dubljim slojevima. Dobar primer su leptiri familije Lycaenidae, kod kojih je unutrašnjost ljuspica gotovo šuplja i dozvoljava plavoj radijaciji da pobegne zbog čega mi vidimo plavu boju krila [76]. Kada su čestice krupnije, rasejavaju veće talasne dužine i na taj način nastaje bela boja kupusara. Pieridae takođe poseduju strukture (pigmentne granule), koje ispunjavaju prostor između lamina [213], gde rasejanje i fluorescencija šire refleksioni spektar [214, 215].

Za razliku od većine drugih vrsta Lepidoptera, svaka struktura na krilu D. chryisitis jednako je važna u produkciji strukturne zlatne boje. Isto važi i za fizičke (optičke) mehanizme – interferenciju, difrakciju, apsorpciju i rasejanje. Narušavanje (uklanjanje) bilo koje od navedenih struktura (mehanizama) značajno menja rezultujući spektralni profil. Ipak, ključni mehanizam za nastanak zlatne boje D. chrysitis je rasejanje.

Rasejanje na nepravilnim strukturama unutar planarnih lamina ljuspica D. chrysitis stimuliše (olakšava) zarobljavanje svetlosti, čime se povećava njen lokalni intenzitet 2n2 puta. Sloj baznih ljuspica dodatno doprinosi zarobljavanju svetlosti (Sl. 26(b)).

Jedno moguće objašnjenje je da pokrovne ljuspice D. chrysitis raspršavaju upadnu svetlost, dok je bazne ljuspice dodatno rasipaju čineći je pogodnom za talasno uvođenje unutar slojeva. Ovo omogućava bolju apsorpciju upadne svetlosti koja je povećana 4n2 puta.

Dvostruka krilna membrana D. chrysitis je gusto pokrivena nanometarskim sferičnim izbočinama i predstavlja dodatni mehanizam za povratno rasejanje svetlosti kroz dvosloj ljuspica. Transmisija membrane je visoka i svetlost dalje propagira do ljuspica sa ventralne strane krila. One su braon-sive, najverovatnije usled prisustva melanina, koji će apsorbovati u UV-plavom delu spektra. U crvenom-IC delu spektra, apsorpcija melanina je beznačajna i ljuspice su opet sposobne da reflektuju svetlost nazad kroz dorzalne slojeve.

Upravo su dimenzije nepravilnih struktura (~ 30 nm) na unutrašnjim površinama ljuspica razlog boljeg rasejanja u UV-plavom delu spektra, a prisustvom rezidualnog melanina se objašnjava zašto je baš taj deo spektra apsorbovan. To je ono što čini razliku između zlatno obojenih ljuspica D. chrysitis i srebrno obojenih ljuspica I. lathonia. Srebrno obojene ljuspice ne poseduju nepravilne unutrašnje površine lamina koje bi omogućile rasejanje i apsorpciju u ovom delu spektra (kao u slučaju D. chrysitis), već uniformno reflektuju sve talasne dužine. Na makroskopskom nivou, dolazi do stapanja svih mikrospektara, što dovodi do formiranja širokopojasnog spektra, koji opažamao kao srebrnu obojenost. Slične strukture i mehanizam nastanka srebrne obojenosti opisani su na primeru vrste Argyrophorus argenteus Blanchard, 1852 [134].

Da bismo pokazali ovo na primeru, proračunali smo teorijski spektar zlatno obojenih struktura D. chrysitis, iz kojeg smo isključili apsorpciju pojačanu rasejanjem. Kao što smo očekivali, refleksija u UV-plavom delu spektra nije smanjena.

Odgovarajuće koordinate u CIE sistemu svedoče da je rezultujuća boja beličasta, kao što se vidi na CIE dijagramu (Sl. 53). Zarad poređenja, takođe smo prikazali koja mesta u kordinatnom sistemu odgovaraju zlatu, našem eksperimentalno snimljenom spektru i spektru dobijenom teoretskim modelovanjem krila D. chrysitis.

Jasno je da se, bez apsorpcije i rasejanja, koordinate boja približavaju ahromatskom centru dijagrama, odnosno krilo D. chrysitis bi, u tom slučaju, imalo samo blagu obojenost. Ova blaga beličasta obojenost je sličnija srebrnoj boji obrazaca na krilima I. lathonia, što je još jedan dokaz da je rasejanje na nepravilnim strukturama ključna razlika između ova dva tipa ljuspica.

D. chrysitis model bez

rasejanja D. chrysitis eksperiment

D. chrysitis model sa rasejanjem

490

zlato 380

Slika 53. Koordinate boja u CIE sistemu za spektar zlata, naš eksperimentalno snimljen spektar zlatno obojenih struktura na krilu D. chrysitis i spektar dobijen teoretskim modelovanjem krila D. chrysitis [191]

Optičke fotonske strukture u živom svetu su veoma raznovrsne, a na osnovu njihove biološke funkcije klasifikovani su u [63] je pokušao da ih klasifikuje na osnovu njihove biološke funkcije. Gruba podela uključuje tapetum (za formiranje slike), strukture koje doprinose kamuflaži ili boljoj vidljivosti jedinki, optičke filtere (npr. bradavice rožnjače na složenim očima insekata), kao i anatomske slučajnosti (strukture čije optičke karakteristike nemaju jasnu biološku ulogu, npr. sedefasti sloj ljušture nekih mekušaca).

Poznato je da širokopojasna refleksija predstavlja važan fenomen u strategiji kriptičke obojenosti životinja [63, 110, 207, 216]. Neuređeni zlatni obrasci na dorzalnoj strani prednjih krila D. chrysitis jasan su primer obmanjujuće ili kamuflažne obojenosti. Ovakve površine su odličan način zaštite, jer dovode do difuzne refleksije svetlosti iz okruženja, čime se konture tela insekta razbijaju do neprepoznatljivosti [217]. Iz tog razloga je izuzetno teško uočiti insekta koji miruje i odmara se tokom dana.

Takođe, jedno od objašnjenja, za posedovanje zlatne strukturne obojenosti krila, može biti i da refleksijom Sunčevih zraka D. chrysitis imitira sjaj kapljice rose [210]. Štaviše, čini se da su prednja krila ove vrste optimizovana da efikasno reflektuju žutu svetlost Sunca.

Osim toga, kao sumračna vrsta, ovaj moljac može emitovati i signal u IC delu spektra, koji možda može da bude iskorišćen za intraspecijsko prepoznavanje [218, 219]. Nastanak zlatnih ljuspica kao posledica aberacije je malo verovatan jer metalik zone na krilima ovog moljca formiraju obrazac karakterističan za vrstu [220].

Kod I. lathonia, srebrno obojene strukture su uređene u jasne kružne obrasce na ventralnoj strani zadnjih krila. Za razliku od zlatno obojenih obrazaca D. chrysitis, sa kojih se svetlost difuzno reflektuje i kamuflira moljca, srebrno obojeni obrasci I. lathonia imaju više spekularnu refleksiju, tj. refleksiju ogledala. Ove strukture produkuju mehanizam obmanjujuće obojenosti. S obzirom da se navedeni obrasci I. lathonia nalaze na ventralnoj strani krila, oni su uočljivi dok se insekt odmara, jer leptiri, za razliku od moljaca, drže krila vertikalno sklopljena. Spekularna refleksija sa višestrukih kružnih obrazaca može delovati zbunjujuće na predatora, koji neće moći lako da uoči insekta [33, 111]. Obmana će biti još ubedljivija tokom letenja i zamahivanja krilima, prilikom čega će višestruka refleksija imati blic efekat na predatora, koji će, zbog toga, teško utvrditi tačan položaj i udaljenost takvog plena [221]. Još je važno da istaknemo da širokopojasni reflektori redukuju iridescenciju, odnosno, oni produkuju intenzivne, jasne boje, ali smanjuju ugaonu zavisnost hromatskog efekta [148]. To smo utvrdili na primeru obe naše vrste, D. chrysitis i I. lathonia, što je jako važno u njihovoj biologiji, jer će zbunjujuća obojenost biti jednaka iz svih uglova, odakle god predator da nailazi.

U kontekstu mogućnosti imitiranja (biomimetike) ili direktnog korišćenja ljuspica krila leptira u tehnologiji, važno je istaći još neke njihove osobine.

Krilne ljuspice Lepidoptera poseduju veoma kompleksnu morfologiju, koja je pritom i veoma varijabilna od ljuspice do ljuspice. Statističkim i drugih matematičkim proračunima analizirali smo morfološki i optički obrazac srebrnih ljuspica I. lathonia.

Naši preliminarni rezultati govore u prilog tome da je morfologija svake pojedinačne ljuspice jedinstvena. Procenili smo da je potrebno oko 1092 ljuspica, što je više od broja atoma u univerzumu, da bismo među ljuspicama pronašli dve iste. U praktičnom smislu, to bi značilo da je nemoguće pronaći dve identične ljuspice.

Kompleksnost, varijabilnost i jedinstvenost ljuspica krila Lepidoptera direktna su posledica procesa njihovog nastanka. Svaka ljuspica nastaje izlučivanjem kutikule iz jedne epidermalne ćelije, koja precizno kontroliše razvoj svake ljuspice. Ćelija prvo izluči epikutikulu u vidu omotača, odnosno nestrukturisanog obrasca, koji nakon toga ispunjava ostalim kutikularnim elementima i formira mikro- i nanostrukture [143].

Elementi ćelijskog citoskeleta igraju glavnu ulogu u formiranju morfoloških obrazaca. Postavljanje aktinskih filamenata određuje položaj, ugao i broj grebena i poprečnih rebara ljuspica krila leptira [222]. Međutim, veliki broj događaja prilikom nastanka ljuspica je “slučajan”, odnosno van ćelijske kontrole je.

Procesi koji zadaju konačan oblik ljuspica krila leptira su istezanje, rast, sušenje, pucanje i nabiranje kutikule [223]. Stoga se, formiranje svih struktura ljuspica, odvija pod mehaničkim pritiskom, dok kutikula raste i očvršćava, što je dirigovano dimenzijama i materijalnim konstantama kutikule. Na primer, prozori, pore i drugi otvori ljuspica nastaju na istanjenim delovima spoljašnje kutikule, gde je, ćelijskim mehanizmom, izostavljena čvrsta prokutikula. Ovime je omogućeno da, baš na tim delovima, pod pritiskom istezanja, sušenja i nabiranja, kutikula puca, te dolazi do otvaranja ovih šupljina [108]. Pri tome, sve strukture ljuspica svoj konačni oblik dobijaju nakon piljenja adulata leptira i sušenja (očvršćavanja) kutikule krila i ljuspica [224]. Navedeni procesi su slučajni, što ove strukture čini jedinstvenim.

Jedinstvenost morfološkog obrasca ljuspica krila leptira, praćena je jedinstvenošću optičkog obrasca. Osim toga, kompleksnost ljuspica je takva da se nijednom, trenutno postojećom tehnologijom, ne mogu ponoviti (kopirati). Ove osobine iskoristili smo za primenu ljuspica krila leptira u zaštiti od falsifikovanja [225-227]. Jedinstvenost optičkog obrasca ljuspica omogućava individualizaciju dokumenata, dok ih kompleksnost čini praktično nemogućim za kopiranje i umnožavanje.

100

5.2 Prirodni svetlosni talasovodi kutikule Lepidoptera i Coleoptera produkuju kamuflažnu ili signalnu obojenost

Ovim istraživanjem želeli smo da pokažemo da među insektima postoje vrste koje na svojim krilima poseduju strukture, a koje funkcionišu poput pravih optičkih talasovoda i imaju ulogu u produkciji strukturno zelene obojenosti. Kutikularne ljuspice krila moljca J. globulariae i pokrilca balegara H. argentea uvode i zarobljavaju svetlost unutar ovih struktura, pritom je spektralno filtriraju, čime postižu zelenu obojenost svojih krila odnosno pokrilaca. Plavi i zeleni pigmenti su prilično retki u životinjskom svetu [41, 75]. To može biti razlog zašto su životinje razvile strukturnu obojenost koja je ograničena isključivo na tzv. hladni deo vidljivog spektra (ljubičasti, plavi i zeleni).

Konkavni hitinsko-vazdušni višesloj, ljuspica J. globulariae odgovoran je za nastanak obojenosti krila ove vrste. Jedan deo zračenja je uveden unutar ovih slojeva, kao u planarnom talasovodu i praktično je zarobljen, dok je ostatak reflektovan klasičnom Bragovom refleksijom. To omogućava bolju apsorpciju uvedenog zračenja, unutar ljuspica. Grebeni, konkavna udubljenja između njih i unutrašnja nepravilnost ljuspica dovode do difrakcije i rasejanja, koji stvaraju spektralno i ugaono ujednačenu obojenost na makroskopskom nivou. Nepravilni raspored strukturno i pigmentno obojenih ljuspica na krilu J. globulariae doprinosi tome i pritom dovodi do stvaranja efekta svetlucanja.

Usled različite dubine konkavnog hitinsko-vazdušnog višesloja, kao i različitih uglova pod kojim svetlost pada na ljuspicu J. globulariae, dolazi do razlike u strukturnoj obojenosti na mikronivou (plavičaste, zelenkaste i žućkaste zone). Ipak, ove pojedinačne boje se ne mogu uočiti golim okom. Na makroskopskom nivou, dolazi do njihovog mešanja i stapanja, što percipiramo kao zeleno-plavičastu boju [105]. Ovakvo prostorno mešanje boja je poznato i kod nekih Papilionidae [105] i Carabidae (potporodica Cicindelinae) [228], i nazvano je ortogonalna površinska retro refleksija.

101

Za ravne višestruke slojeve (višeslojne filmove) maksimum reflektanse je prilično visok, što dovodi do veoma sjajne strukturne obojenosti, koja je utvrđena kod mnogih tvrdokrilaca [62, 229], što potvrđuje i naš teorijski model (Sl. 37(e)). Osim toga, na ovim strukturama obojenost je veoma zavisna od upadnog ugla. Pokrilca tvrdokrilca Chlorophila obscuripennis Fairmaire, 1894 (porodica Lagriidae) sastoje se iz heksagonalnih jamica. Stoga je efektivna zona na kojoj dolazi do spekularne refleksije mnogo manja nego kod ravnih slojevitih struktura, što dovodi do produkcije slabo intenzivne strukturno zelene obojenosti vidljive iz svih uglova. Ova prigušena plavičasto-zelena obojenost ima prednost u kamufulaži unutar zelenog okruženja, naročito među difuzno raspoređenim zelenim listovima [230].

Sličan efekat daju konkavna udubljenja na ljuspicama krila J. globulariae, koja iz tog razloga ima zagasito zelenu, a ne intenzivno zelenu obojenost krila. Ovo potvrđuje i naš teorijski optički model, koji pokazuje da struktura J. globulariae funkcioniše kao selektivni Bragov filter. Konkavne ljuspice uvode zračenje unutar strukture gde sve talasne dužine, osim zelene, bivaju apsorbovane. Svega 10% zračenja u zelenom delu spektra je reflektovano na ovakvim strukturama dok je ostatak apsorbovan. Kada je struktura modelovana kao ravni višesloj, intenzitet refleksije se povećava na 65%. Pored toga, na ravnim višeslojevima reflektovana svetlost zavisi od upadnog ugla [148, 229], pa tako i obojenost insekta ima ugaonu zavisnost. Rezultat morfologije kakvu poseduju ljuspice J. globulariae je ugaono nezavisna i prigušena zelena obojenost krila. Ova karakteristika može biti od velikog značaja u kamuflaži jer je veoma važno da insekt bude jednako skriven i utopljen u okruženje odakle god predator dolazio [230].

Zelena boja obično ima kriptičku ulogu kod insekata [110, 230, 231]. Upravo takva zagasita zelena boja, koja nije visoko reflektivna, ukazuje na primarno odbrambenu ulogu kod J. globulariae. Smanjena iridescencija i kontrast boja, koje su vrlo važni u komunikaciji između vrsta, dodatno govore u prilog zaštitnoj ulozi ovakvog optičkog signala [232]. Ugaono nezavisna boja, omogućava jednaku skivenost vrste iz kojeg god pravca ili ugla dolazio predator. Sve navedeno obezbeđuje naročito efikasnu kamuflažu navedene vrste među lišćem [110, 230].

102

Kod većine moljaca, tokom mirovanja je izložena i vidljiva dorzalna strana prednjih krila [233]. S obzirom da su sve Zygaenidae dnevne vrste, evolucija se pobrinula da poseduju strukturnu obojenost upravo na dorzalnoj površini krila [188].

Sa druge strane, postoji još jedna važna karakteristika vrsta ove familije, tj. postojanje hemijskih mehanizama odbrane. Sve Zygaenidae [188] sadrže cijanovodoničnu kiselinu (HCN), koju uzimaju iz biljaka ili je same sintetišu iz biljnih glukozida [144, 234]. Stoga su one otrovne ili, u najmanju ruku, nejestive za potencijalnog predatora. Slanje upozorenja je još jedan od razloga zašto vrste ove porodice moljaca imaju ovakvu obojenost krila. Kada J. globulariae, sa zelenim krilima, sleti na neki cvet drugačije boje od zelene, postaje prilično upadljiva zbog razlike u obojenosti njenih krila i cvetova [235]. Tada obojenost ove vrste dobija svoju drugu, aposematsku ulogu [236]. Poznati su i drugi primeri među lepidopterama gde upozoravajuća i kamuflažna obojenost nisu suprotstavljene [237]. Stoga možemo reći da uloga obojenosti krila J. globulariae može biti kriptička, kad vrsta odmara skrivena u lišću, i aposematska, tokom ishrane nektarom na šarenim cvetovima.

U slučaju druge ispitivane vrste, balegara H. argentea, imamo nešto drugačiju situaciju. Dok su kod J. globulariae talasovodi bili planarni, dlačice na ljuspicama H. argeneta su u vidu linearnih talasovoda i doprinose produkciji zelene obojenosti pokrilaca ove vrste.

Poznato je da jedinke vrsta roda Hoplia Illiger, 1803 ispoljavaju polihromatizam, tako da postoje zelene, žućkaste i crvenkaste forme [238-241]. Međutim, posebno nam je privuklo pažnju to što vrsta H. coerulea ima značajno različitu obojenost, gotovo srebrno-plavu.

Veliki broj istraživanja vezan za obojenost H. coerulea je rađen [117, 242, 243], dok su fotonske strukture H. argentea samo površno opisane, uglavnom morfološki, bez detaljnih analiza [41, 244]. Ljuspice ove dve vrste imaju veoma sličnu unutrašnju organizaciju [242]. Utvrđeno je da su slojevi unutar ljuspica, naslagani jedan iznad drugog, odgovorni za plavu obojenost H. coerulea, koja nastaje mehanizmom interferencije.

103

Za razliku od H. argentea, ljuspice H. coerulea imaju potpuno glatku gornju (dorzalnu) površinu, odnosno ne poseduju dlačice i smatramo da to čini ključnu razliku u obojenosti ovih dveju srodnih vrsta.

Naše istraživanje ide u pravcu dokazivanja da su upravo dlačice na površini ljuspica pokrilaca H. argentea, kojih na ljuspicama H. coerulea nema, razlog različite obojenosti ove dve vrste.

Ispitujući građu ljuspica na pokrilcima H. argentea otkrili smo da dlakave kutikularne strukture na njihovoj površini funkcionišu kao pravi linearni optički talasovodi. Gusto postavljene dlačice odgovorne su za uvođenje svetlosnih talasa u strukturu i filtriranje spektra, tako što omogućavaju bolju provodljivost i apsorpciju većih talasnih dužina (od ~ 550-750 nm). Uvedeno zračenje podleže interferenciji i koherentnom rasejanju na nepravilnoj unutrašnjosti ljuspice, sastavljenoj od naslaganih slojeva, pokrivenih haotičnom mrežom grebena (hitinskih štapića). Zeleno-plavi deo spektra je reflektovan, obojenost je blago desaturisana delimičnom refleksijom ostatka spektra, i deluje kao mešavina zeleno-žute boje (Sl. 39(a)).

Ovo su potvrdili naši teorijski optički modeli (Sl. 39). Na modelu ljuspica na pokrilcima H. argentea bez dlačica (Sl. 39(b)), postoji maksimum u plavo-zelenom delu spektra ali je reflektansa visoka i u ostatku spektra, što u velikoj meri desaturiše obojenost i dovodi praktično do širokopojasne refleksije. To može biti razlog zbog kojeg obojenost pokrilaca H. coerulea percipiramo kao srebrno-plavu.

Nije sasvim jasno koja je biološka uloga plavičaste obojenosti H. coerulea. Ono što je poznato je da vrsta živi u jugozapadnoj Evropi na zelenoj vegetaciji, u blizini vodotokova, tamo gde je zemljište vlažno. Mužjaci se roje, dok su ženke vrlo retko viđene, obično u blizini rojeva mužjaka i nemaju tako upadljivu obojenost [178, 239]. Na osnovu toga se pretpostavlja da je u pitanju signalna obojenost koja služi u intraspecijskom prepoznavanju [117].

Zelena obojenost H. argentea takođe može imati intraspecijsku signalnu ulogu jer se mužjaci i ženke jasno razlikuju u obojenosti. Mužjaci su zelenkasto-žute boje, a ženke crvenkasto-braon boje [178]. Istovremeno, zelena obojenost mužjaka može imati i kamuflažnu ulogu tokom ishrane na zelenoj vegetaciji [110, 230].

104

Obe spomenute vrste balegara pokazuju higrofilnost i promenu obojenosti pokrilaca sa nakupljanjem vlažnosti, koja pomera refleksioni spektar ka većim talasnim dužinama. Vlažna pokrilca H. coerulea menjaju obojenost iz plave u zelenu [117], a pokrilca H. argentea iz zelene u crvenkastu boju. Ovo se postiže izjednačavanjem indeksa prelamanja, kada se vazdušni slojevi unutar ljuspice na pokrilcima natope vodom. Navedena osobina je otkrivena i kod nekih drugih vrsta tvrdokrilaca, kao što je D. hercules [17], i ima biološki značaj u kamuflaži i termoregulaciji.

U biologiji H. argentea, mehanizam promene obojenosti uslovljen vlažnošću mogao bi da bude od značaja i kada vrsta sa vegetacije siđe na vlažno zemljište. Tada se pokrilca natope vlagom i promene obojenost u braon-crvenu, čime se insekt stopi sa okruženjem i na taj način štiti od predatora.

U daljem istraživanju, preciznije ćemo kvantifikovati uticaj dlakavih struktura ljuspica pokrilaca na obojenost H. argentea. Novi teorijski modeli utvrdiće uticaj veličine, debljine i međusobnog rastojanja dlačica na dobijeni spektar i percipiranu obojenost.

U praktičnom, odnosno tehnološkom smislu, ovakve strukture predstavljaju veliku inspiraciju za fabrikaciju inovativnih biomaterijala [245]. Postoji širi dijapazon tehnika (poput fotolitografije, holografije) koje omogućavaju njihovu izradu, biomimetički. Najpogodniji materijali na kojima bi se navedene tehnike primenile, su prirodni biopolimeri, jer predstavljaju obnovljive, stabilne, netoksične i biorazgradive resurse. U brojnim studijama su, u te svrhe, korišćeni polisaharidi poput hitina, hitozana, heparina, alginata i pululana [246, 247]. Primene, na ovaj način dobijenih struktura, su brojne, uključujući biosenzore, biorazgradive boje, optičke filtere, uređaje za zaštitu od falsifikovanja, itd.

105

5.3 Doprinos fotonskih kutikularnih struktura radijativnoj termalnoj regulaciji Coleoptera

Insekti su razvili raznovrsne adaptacije koje ih čine idealnim model organizmima za istraživanje različitih evolucionih mehanizama. Termoregulacija je posebno interesantna, jer može biti kontrolisana fiziološki ili bihejvioralno [91]. Obojenost koja služi u svrhe termoregulacije je naročito važna karakteristika insekata [89, 91].

Insekti koji mogu da produkuju unutrašnju toplotu, fiziološkim procesima, su endotermni. Ovaj mehanizam se uglavnom odnosi na neke leteće insekte, poput moljaca i pčela [248]. Tvrdokrilci su manje istraživani, ali je poznato da su neki noćni balegari endotermni tokom letenja, formiranja i kotrljanja balege [249].

Još jedan vrlo interesantan primer termoregulacionog mehanizma je kod komaraca roda Anopheles Meigen, 1818. Oni luče kapljice tečnosti koje disipiraju višak toplote, dobijene tokom ishrane na toplokrvnim životinjama [250]. Ipak, većinom, insekati su primarno ektotermni i zavise od spoljašnjih izvora toplote, uglavnom poreklom od Sunčeve radijacije [251].

Dokazano je da se leptiri više oslanjaju na bihejvioralne nego fiziološke termoregulacione mehanizme, regulišući toplotne dobitke odgovarajućom orijentacijom i položajem prema Suncu [89]. Tamni obrasci na krilima leptira apsorbuju Sunčevu radijaciju, te stoga imaju važnu ulogu u termoregulaciji [142]. Pigmenti poput melanina glavni su uzrok tamne obojenosti. Ipak, njihova apsorptivnost može biti povećana mikro- i nanostrukturama [60]. Ovakve strukture lokalizuju svetlost, povećavajući prosečnu dužinu puta koju svetlost pređe, a posledično i apsorpciju [252]. Sa druge strane, neke strukture su razvijene tokom evolucije zarad efikasnije refleksije vidljive svetlosti i istovremene disipacije IC radijacije direktno preko atmosferskog prozora u srednjem-infracrvenom delu spektra [kao kod Saharskog srebrnog mrava, Cataglyphis bombycina (Roger, 1859)] [7]. Ovaj mehanizam omogućava saharskom srebrnom mravu da efikasno reguliše temperaturu tela u surovom pustinjskom klimatu.

106

R. alpina je saproksilni tvrdokrilac koji naseljava bukove šume Evrope (osim severnih delova) [166], ali se može naći i na drugom listopadnom drveću [253]. Interesantna i neobična obojenost ove vrste objašnjena je kao potreba insekta da se kamuflira unutar svog staništa [254]. Ipak, nameće se logično pitanje: zašto je priroda umesto sjajnih, glatkih, crnih mrlja, formirala sete na površini pokrilaca? Glatke crne mrlje imale bi istu kamuflažnu ulogu, bez trošenja energije za produkciju komplikovanih kutikularnih izraštaja. Odgovori se nalaze u biologiji i ekologiji vrste i optičkim svojstvima ovih površinskih mikrostruktura.

Poznato je da adulti R. alpina traže trupce i grane koje su u fazi raspadanja, a koje se nalaze na mestima izloženim Suncu [165, 255]. Životni ciklus vrste traje 3 godine, od čega adult živi svega nekoliko nedelja [166]. Adulti su najaktivniji tokom najtoplijih meseci (od jula do avgusta) i tokom najtoplijeg dela dana (od 12-14h) [165, 256]. Iako ima veliki značaj, kao ugrožena vrsta u Evropi, još uvek se malo toga zna o njenoj biologiji i ekologiji [255, 256]. Neki zaključci se mogu doneti poređenjem sa srodnim vrstama [257, 258]. Srodna vrsta R. coelestis, Semenov 1911, kao i mnoge druge vrste familije Cerambycidae, ne uzima hranu kao adult. Prilikom ekoloških istraživanja R. alpina [170, 256] autori takođe nisu utvrdili ishranu ulovljenih 1500 adulata.

Adulti R. alpina su aktivni, pokretni i lete, ali s obzirom da se nehrane, njihovi izvori energije su ograničeni [257]. Ovo može biti razlog zašto je R. alpina uvek nalažena na deblima izloženim Suncu. Da bi mogla da poleti, potrebna joj je energija da zagreje svoje torakalne mišiće, pokretače krila. Poput leptira [89] i drugih ektotermnih organizama, navedeni insekt se oslanja na spoljašnje izvore toplote, tj. na solarnu radijaciju. Ovo se u potpunosti slaže sa istraživanjima u radovima [166, 255], koja dokazuju da debla na kojima su nađeni ovi insekti nisu nasumično distribuirana. Jedinke su nalažene isključivo u otvorenoj šumi, dok su zatvorenu šumu izbegavale. Birano je samo drveće sa visokim solarnim indeksom. Debla naseljena vrstom R. alpina su uvek nalažena na mestima sa malo ili nimalo rastinja, gde je omogućeno maksimalno dopiranje Sunčevih zraka. Nekoliko studija [259-261] ističe značaj supstrata izloženih Suncu saproksilnim vrstama tvrdokrilaca, jer formiraju topli mikroklimat za razvoj njihovih larvi.

107

Naše istraživanje donosi novine u shvatanju biologije, ekologije i evolucije vrste R alpina, dokazujući da su Suncu izložena staništa važna ne samo za razvoj larvi već i za preživljavanje adulata. U cilju održanja temperaturnog balansa, odnos dobitka i gubitka toplote mora biti regulisan. Jedan od mogućih mehanizama je regulacija razmene toplote između tela i spoljašnje sredine (bihejvioralni mehanizam). Ukazali smo na značaj elitralnih ljuspica i dlačica za termalnu regulaciju adulta R. alpina. Direktna solarna radijacija je efikasno apsorbovana preko crnih mrlja na pokrilcima, rezultujući u brzom dobitku toplote. Osim toga, suvišna toplota je jednako dobro disipirana IC radijacijom čitavom površinom pokrilaca (sive zone i crne mrlje). S obzirom da je R. alpina leteća vrsta, dodatna toplota se produkuje tokom leta. Navedeni mehanizam i u slučaju letenja pomaže da se uspostavi temperaturni balans.

Čini se da je evolucija morala da reši dva problema. Prvi je da obezbedi efikasnu kamuflažu za R. alpina na stablima bukve, a drugi je efikasna disipacija termalne energije, apsorbovane preko crnih mrlja na pokrilcima. Rešenje je napravljeno tako da crne mrlje imaju dve uloge. U vidljivom delu spektra one fukncionišu kao efikasna zamka za svetlost, apsorbujući gotovo čitavu radijaciju. U IC delu spektra, čitava pokrilca razmenjuju radijaciju sa okolinom i postižu brzo ravnotežu, jer su IC svojstva sivih zona i crnih mrlja su gotovo ista. Sive zone, efikasno rasejava vidljivu radijaciju i produkuje uniformnu sivu boju, veoma sličnu boji kore bukve.

Na ovaj način, energija koja je apsorbovana preko crnih mrlja, biva efikasno disipirana celom površinom pokrilaca. Ovi efekti ne samo da smanjuju mogućnost pregrevanja insekta, ukoliko je izložen direktnom zračenju Suncu, već omogućavaju radijativno zagrevanje, ukoliko je insolacija smanjena. Stoga je insekt u stanju da postigne temperaturni balans pod uslovima visokog zračenja (direktna izloženost Sunčevoj radijaciji), kao i u uslovima difuzne radijacije (smanjena insolacija krajem dana ili tokom oblačnih dana).

U ovoj studiji, termalni modeli su napravljeni na osnovu eksperimenata sa suvim uzorcima R. alpina, koji sadrže manje od 1% vode [262]. Ipak, doprinos vode radijativnim efektima je nevažan, stoga što je apsorpcija vode unutar atmosferskih prozora, preko kojih insekti disipiraju toplotu, beznačajna.

108

Sa druge strane, čak i ako bi bila mokra, pokrilca služe kao termalni isolator, kod koga je doprinos kondukcije sveukupnim termalnim svojstvima mali u poređenju sa radijacijom i konvekcijom. Lipidi i voskovi, prisutni u površinskim slojevima kutikule kod živih jedinki R. alpina, nemaju značaj u temperaturnom balansu. Stoga se naši rezultati odnose i na žive insekte.

Moguće je da temperatura utiče na protok hemolimfe kroz lakune i vazduha kroz traheole R. alpina. Ipak, kod navedene vrste, analiza kompjuterizovanom mikrotomografijom je otkrila da su pokrilca prilično kompaktna, što znači da je prisustvo fluida minimalno i nije u stanju da značajno utiče na temperaturni balans insekta.

Takson M. asper funereus pripada takođe familiji Cerambycidae i poseduje slične elitralne obrasce kao i R. alpina. Ipak, utvrdili smo da je mikro- i nanostruktura pokrilaca ova dva taksona značajno različita. To se prvenstveno odnosi na uređenje i strukturisanost ljuspica crnih mrlja.

Kod R. alpina, postoji uređenost ljuspica u vidu manjih grupacija (poput šatora), okrenutih jedne ka drugima, dok su same ljuspice široke, a kutikularna površina između njih hrapava. Sa druge strane, M. asper funereus ima duguljaste, uske ljuspice, postavljene gusto, gotovo vertikalno, na glatkoj kutikularnoj površini između njih. Prvi rezultati termalnih merenja i optičkih modela pokazuju da su ove strukture kod M. asper funereus takođe asporptivne u vidljivom delu spektra, sa tom razlikom da je apsorpciona efikasnost manja u odnosu na crne mrlje R. alpina.

Navedene razlike bi se mogle objasniti razlikom u biologiji i načinu života navedena dva taksona strižibuba. Adulti M. asper funereus se smatraju dugoživećim [263, 264]. Period godine kada su aktivni zavisi od geografske širine i nadmorske visine na kojima se nalaze. U zavisnosti od toga, mogu se naći od aprila do oktobra, sa maksimumima aktivnosti i brojnosti od kraja maja do početka avgusta [173]. Da bi preživeli ovako dug period, adulti M. asper funereus moraju da se hrane. Prema različitim istraživanjima, hrane se sokovima biljaka, plodovima voćaka ili korom drveća na kojem žive. Važna karakteristika ove podvrste je i to što ima redukovana zadnja krila

109

i nema sposobnost letenja [173], pa nije potrebno zagrevanje torakalnih mišića zarad poletanja.

Brojna istraživanja govore u prilog tome da je ova podvrsta zapravo aktivna tokom večeri i noću [263, 265]. U [173] je utvrđeno da je najveća aktivnost podvrste bila između 20:00 i 24:00. Ipak, isti autori navode da su jedinke ove podvrste primećene i tokom dana, s tim da je brojnost bila svega 30% u odnosu na maksimalno zabeleženu (u večernjim i noćnim satima). To se u potpunosti slaže za našim preliminarnim rezultatima o građi i termalnim karakteristikama fotonskih struktura na pokrilcima M. asper funereus, gde uočavamo da crne mrlje manje apsorbuju u vidljivom delu spektra, u odnosu na crne mrlje R. alpina.

U okviru preferentnog tipa staništa (šuma evropske bukve), studirane elitralne strukture svakako imaju kamuflažnu ulogu. Moguće je da one u određenoj meri omogućavaju i zagrevanje apsorpcijom u vidljivom delu spektra, ali je njihova efikasnost manja, jer M. asper funereus ne toleriše preteranu toplotu. Premda je utvrđeno da je u pitanju noćna podvrsta, ove strukture bi mogle da imaju značajnu ulogu u IC delu spektra i omoguće zagrevanje tokom noći pojačanom apsorptivnošću u ovom delu spektra. Ipak, za precizna poređenja i zaključke potrebna su dodatna istraživanja i analize, koje su u toku.

Materijali koje je priroda stvorila tokom evolucije imaju značajan uticaj kao inspiracija za izradu veštačkih materijala sa korisnim apsorptivnim svojstvima, koja bi se mogla iskoristiti u sakupljanju solarne energije, disipaciji toplote ili kamuflaži [266].

Apsorpcija koja je pojačana površinskom strukturom, poznata je u istraživanjima u solarnoj energetici [197]. Sa praktične tačke gledišta, strukture kakve poseduje R.alpina na pokrilcima mogle bi da se fabrikuju biomimetički i služe za efikasniju konverziju solarne energije u električnu [266].

To bi omogućilo lakšu disipaciju frakcije svetlosne energije pretvorene u toplotu i održavanje solarnih ćelija u okviru optimalnih termalnih limita. Osim toga, ovakve strukture i njihova osobina radijativne disipacije toplote mogli bi da posluže kao inspiracija u vojnoj industriji, u izradi IC detektora ili vojne odeće [267], koja bi omogućila efikasno oslobađanje suvišne toplote vojnika u uslovima toplih klimata.

110

6. ZAKLJUČCI

Ispitivali smo kutikularne fotonske strukture na krilima odabranih taksona Lepidoptera i pokrilcima odabranih taksona Coleoptera (R. alpina, M. asper funereus, H. argentea, I. lathonia, D. chrysitis i J. globulariae). Poznato je da mikro- i nanostrukture imaju svoju ulogu u širokom spektru EM zračenja, od UV do dalekog IC. Na primeru navedenih taksona insekata, pokazali smo ulogu i mehanizme nastanka širokopojasnih reflektora i optičkih talasovoda u vidljivom delu spektra, kao i ulogu kutikularnih fotonskih struktura u razmeni toplote u IC delu spektra.

Za optičku i morfološku karakterizaciju krila i krilnih struktura, korišćene su najsavremenije mikroskopske i spektroskopske metode, poput skenirajuće elektronske mikroskopije, nelinearne fluorescentne mikroskopije, optičke mikroskopije i spektroskopije. Za analizu IC i termalnih svojstava navedenih struktura, korišćene su IC kamere i FTIR spektroskopija. Primenom matematičkih modela i simulacija (metod konačnih elemenata, metod transfera matrice i “ray-tracing” metod), utvrđeni su mehanizmi interagovanja fotonskih struktura analiziranih taksona insekata sa EM zračenjem.

Na primeru vrsta D. chrysitis i I. lathonia, pokazali smo da je uloga širokopojasnih reflektora (zlatnih i srebrnih obrazaca) u produkciji kamuflažne, odnosno obmanjujuće strukturne obojenosti. Ovakve strukture retko se nalaze na krilima Lepidoptera, a nekoliko fizičkih mehanizama učestvuje u njihovom stvaranju. Ključna razlika koja dovodi do nastanka zlatnih obrazaca D. chrysitis u odnosu na srebrne obrasce I. lathonia, jeste postojanje visoko rasejavajućih nanometarskih struktura u unutrašnjosti lamina zlatnih ljuspica D. chrysitis, koje omogućavaju bolju apsorpciju u UV-plavom delu spektra. S druge strane, kod I. lathonia srebrna obojenost nastaje mešanjem lokalnih mikrospektara ljuspica, koji se na makroskopskom nivou sjedinjuju, produkujući srebrni optički signal.

Na nešto drugačiji način, moljac J. globulariae i balegar H. argentea produkuju zelenu kamuflažnu, aposematsku ili signalnu obojenost svojih krila (J. globulariae), odnosno pokrilaca (H. argentea).

111

Navedene vrste poseduju planarne (J. globulariae) ili linearne (H. argentea) kutikularne talasovode, koji uvode i zarobljavaju svetlost, omogućavajući njenu selektivnu apsorpciju i produkciju strukturne zelene obojenosti u nedostatku odgovarajućih pigmenata.

Pokazali smo da fotonske strukture pojednih taksona insekata, osim u vidljivom delu spektra, imaju ulogu i u IC delu spektra. Ispitivali smo apsorptivna i emisivna svojstva izrazito crnih mrlja na pokrilcima R. alpina i utvrdili da, osim uloge u kamuflaži, iste imaju i značajnu ulogu u radijativnoj razmeni toplote. Ovo omogućava navedenoj vrsti da se zagreje u dovoljnoj meri apsorpcijom vidljivog zračenja, istovremeno sprečavajući pregrevanje emisijom IC radijacije. Drugi takson strižibuba, M. asper funereus, poseduje makroskopski slične, ali mikro- i nanometarski prilično različite elitralne obrasce u odnosu na R. alpina, koji najverovatnije imaju ulogu u apsorpciji/emisiji IC zračenja, jer je M. asper funereus sumračna i noćna podvrsta.

S obzirom da fotonske strukture insekata predstavljaju izvor inspiracija u biomimetici, osvrnuli smo se na potencijalnu praktičnu primenu ispitivanih insekatskih struktura. U tom smislu, direktnim korišćenjem ili pravljenjem analoga, ovakve strukture mogu imati značajnu ulogu u tehnologiji zaštite dokumenata, proizvodnji IC detektora i različitih biosenzora, vojnoj industriji ili solarnoj energetici.

112

7. LITERATURA

1. Quimby, R. S., Photonics and lasers: an introduction (John Wiley & Sons, New Jersey, 2006).

2. Svanberg, S., Biophotonics – techniques and applications. Laser & Photonics Reviews 7 (5), A43-A44 (2013).

3. Prasad, P. N., Introduction to biophotonics (John Wiley & Sons, New Jeresey, 2004).

4. Kolle, M., Photonic structures inspired by nature (Springer Science & Business Media, Berlin, 2011).

5. Glover, B. J. & Whitney, H. M., Structural colour and iridescence in plants: the poorly studied relations of pigment colour. Annals of Botany 105 (4), 505-511 (2010).

6. Vignolini, S., Moyroud, E., Glover, B. J. & Steiner, U., Analysing photonic structures in plants. Journal of the Royal Society Interface 10 (87), 20130394. (2013).

7. Shi, N. N., Tsai, C. C., Camino, F., Bernard, G. D., Yu, N. & Wehner, R., Keeping cool: enhanced optical reflection and heat dissipation in Saharan silver ants. Science 349 (6245), 298-301a (2015).

8. Hook, R., Micrographia (Dover Publications, New York, 2003).

9. Newton, I., Opticks, or, a treatise of the reflections, refractions, inflections & colours of light (Courier Corporation, 1979).

10. Lord Rayleigh, O. M., On the reflection of light from a regularly stratified medium. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 93 (655), 565-577 (1917).

11. Parker, A. R., 515 million years of structural colour. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 2 (6), R15 (2000).

12. Kientz, B., Vukusic, P., Luke, S. & Rosenfeld, E., Iridescence of a marine bacterium and classification of prokaryotic structural colours. Applied and Environmental Microbiology 78 (7), 2092-2099 (2012).

113

13. Steiner, U., Glover, B. & Vignolini, S., Photonic structures in plants. pp. 14-31. In: Karthaus, O. (Ed.): Biomimetics in photonics (CRC Press, Boca Raton, 2012).

14. Glover, B. J. & Whitney, H. M., Structural colour and iridescence in plants: the poorly studied relations of pigment colour. Annals of Botany 105 (4), 505-511 (2010).

15. Ghiradella, H., Shining armor: structural colors in insects. Optics and Photonics News 10 (3), 46-48 (1999).

16. Ghiradella, H. & Butler, M., Many variations on a few themes: a broader look at development of iridescent scales (and feathers). Journal of the Royal Society Interface 6, S243-S251 (2009).

17. Rassart, M., Colomer, J. F., Tabarrant, T. & Vigneron, J. P., Diffractive hygrochromic effect in the cuticle of the hercules beetle Dynastes hercules. New Journal of Physics 10 (3), 033014 (2008).

18. Acorn, J. H., Mimetic tiger beetles and the puzzle of cicindelid coloration (Coleoptera: Cicindelidae). The Coleopterists' Bulletin 42 (1), 28-33 (1988).

19. Schultz, T. D. & Hadley, N. F., Structural colors of tiger beetles and their role in heat transfer through the integument. Physiological Zoology 60 (6), 737-745. (1987).

20. Blut, C., Wilbrandt, J., Fels, D., Girgel, E. I. & Lunau, K., The ‘sparkle’in fake eyes – the protective effect of mimic eyespots in Lepidoptera. Entomologia Experimentalis et Applicata 143 (3), 231-244 (2012).

21. McClain, E., Seely, M. K., Hadley, N. F. & Gray, V., Wax blooms in tenebrionid beetles of the Namib Desert: correlations with environment. Ecology 66 (1), 112- 118 (1985).

22. Kim, J. H., Moon, J. H., Lee, S. Y. & Park, J., Biologically inspired humidity sensor based on three-dimensional photonic crystals. Applied Physics Letters 97 (10), 103701 (2010).

23. Kolle, M., Salgard-Cunha, P. M., Scherer, M. R., Huang, F., Vukusic, P., Mahajan, S., Baumberg, J. J. & Steiner, U., Mimicking the colourful wing scale structure of the Papilio blumei butterfly. Nature Nanotechnology 5 (7), 511 (2010).

114

24. Yu, K., Fan, T., Lou, S. & Zhang, D., Biomimetic optical materials: integration of nature’s design for manipulation of light. Progress in Materials Science 58 (6), 825-873 (2013).

25. Atkins, P. & De Paula, J., Quantum theory: introduction and principles. pp. 243- 270. In: Engel, T. & Reid, P. (Eds.): Physical chemistry. Second edition (Pearson Benjamin Cummings, San Francisco, 2002).

26. Born, M. & Wolf, E., Principles of optics (Cambridge University Press, Cambridge, 1999).

27. Oštir, K. & Mulahusić, A., Daljinska istraživanja (Založba Znanstvenoraziskovalnog centra Slovenske akademije znanosti in umetnosti & Građevinski fakultet Univerziteta u Sarajevu, Ljubljana-Sarajevo, 2014).

28. Hecht, E. & Zajac, A., Optics (Addison-Wesley, Boston, 1974).

29. Bass, M., Van Stryland, E. W. & Williams, D. R., Handbook of optics (McGraw- Hill, New York, 1995).

30. Ward, D. W., Nelson, K. A. & Webb, K. J., On the physical origins of the negative index of refraction. New Journal of Physics 7 (1), 213 (2005).

31. Lekner, J., Theory of reflection (Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht-Boston- Lancaster, 1987).

32. Bohren, C. F. & Clothiaux, E. E., Fundamentals of atmospheric radiation: an introduction with 400 problems (John Wiley & Sons, 2006).

33. Sun, J., Bhushan, B. & Tong, J., Structural coloration in nature. RSC Advances 3 (35), 14862-14889 (2013).

34. Mouchet, S. R. & Vukusic, P., Structural colours in lepidopteran scales. Advances in Insect Physiology 54, 1-53 (2018).

35. Booth, C. L., Evolutionary significance of ontogenetic colour change in animals. Biological Journal of the Linnean Society 40 (2), 125-163 (1990).

36. Srinivasarao, M., Nano-optics in the biological world: beetles, butterflies, birds, and moths. Chemical Reviews 99 (7), 1935-1962 (1999).

115

37. Dyer, A. G., Garcia, J. E., Shrestha, M. & Lunau, K., Seeing in colour: a hundred years of studies on bee vision since the work of the Nobel laureate Karl von Frisch. Proceedings of the Royal Society of Victoria 127 (1), 66-72 (2015).

38. Goldsmith, T. H., Optimization, constraint, and history in the evolution of eyes. The Quarterly Review of Biology 65 (3), 281-322 (1990).

39. Bernard, G. D. & Remington, C. L., Color vision in Lycaena butterflies: spectral tuning of receptor arrays in relation to behavioral ecology. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 88 (7), 2783-2787 (1991).

40. Holick, M. F., Biological effects of sunlight, ultraviolet radiation, visible light, infrared radiation and vitamin D for health. Anticancer Research 36 (3), 1345-1356 (2016).

41. Berthier, S., Iridescences: the physical colors of insects (Springer Science & Business Media, Berlin, 2007).

42. Hockberger, P. E., A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganisms. Photochemistry and Photobiology 76 (6), 561-579 (2002).

43. Parrish, J., UV-A: biological effects of ultraviolet radiation with emphasis on human responses to longwave ultraviolet (Springer Science & Business Media, Berlin, 2012).

44. Kingston, R. H., Detection of optical and infrared radiation (Springer, New York, 2013).

45. Liou, K. N., An introduction to atmospheric radiation (Elsevier, Amsterdam, 2002).

46. Vatansever, F. & Hamblin, M. R., Far infrared radiation (FIR): its biological effects and medical applications. Photonics & Lasers in Medicine 1 (4), 255-266 (2012).

47. Prescher, J. A. & Contag, C. H., Guided by the light: visualizing biomolecular processes in living animals with bioluminescence. Current Opinion in Chemical Biology 14 (1), 80-89 (2010).

48. White, E. H., Rapaport, E., Seliger, H. H. & Hopkins, T. A., The chemi-and bioluminescence of firefly luciferin: an efficient chemical production of electronically excited states. Bioorganic Chemistry 1 (1-2), 92-122 (1971).

116

49. O'Day, W. T. & Fernandez, H. R., Aristostomias scintillans (Malacosteidae): a deep-sea fish with visual pigments apparently adapted to its own bioluminescence. Vision Research 14 (7), 545-550 (1974).

50. Lloyd, J. E., Bioluminescence and communication in insects. Annual Review of Entomology 28 (1), 131-160 (1983).

51. Valeur, B., La couleur dans tous ses éclats (Belin, Paris, 2011).

52. Valeur, B. & Bardez, E., La lumière et la vie: une subtile alchimie (Belin, Paris, 2015).

53. Hill, G. E. & Hill, G. E., National geographic bird coloration (National Geographic Books, Washington, 2010).

54. Fox, D. L., Chromatology of animal skeletons: wide and diversified color manifestations arise in animal skeletons from either microstructurally induced chromogenesis or the presence of true pigments. American Scientist 60 (4), 436- 447 (1972).

55. Rayleigh, L., The iridescent colours of birds and insects. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 128, 624-641 (1930).

56. Vukusic, P. & Sambles, J. R., Photonic structures in biology. Nature 424, 852-855 (2003).

57. Parker, A. R., Natural photonics for industrial inspiration. Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 367 (1894), 1759-1782 (2009).

58. Doucet, S. M. & Meadows, M. G., Iridescence: a functional perspective. Journal of the Royal Society Interface 6 (2), S115-S132 (2009).

59. Berthier, S., La couleur des papillons ou l'impérative beauté: propriétés optiques des ailes de papillons (Springer, New York, 2000).

60. Vukusic, P., Sambles, J. R. & Lawrence, C. R., Structurally assisted blackness in butterfly scales. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences 271 (4), S237-S239 (2004).

61. Li, Y., Lu, Z., Yin, H., Yu, X., Liu, X. & Zi, J., Structural origin of the brown color of barbules in male peacock tail feathers. Physical Review E 72 (1), 010902 (2005).

117

62. Kinoshita, S. & Yoshioka, S., Structural colors in nature: the role of regularity and irregularity in the structure. ChemPhysChem 6 (8), 1442-1459 (2005).

63. Land, M. F., The physics and biology of animal reflectors. Progress in Biophysics and Molecular Biology 24, 75-106 (1972).

64. Vigneron, J. P. & Simonis, P., Structural colours. Advances in Insect Physiology 38, 181-218 (2010).

65. Joannopoulos, J. D., Johnson, S. G. & Winn, J. N., Photonic crystals: molding the flow of light (Princeton University Press, New Jersey 2011).

66. Biro, L. P. & Vigneron, J. P., Photonic nanoarchitectures in butterflies and beetles: valuable sources for bioinspiration. Laser & Photonics Reviews 5 (1), 27-51 (2011).

67. Palmer, C. A. & Loewen, E. G., Diffraction grating handbook (Newport Corporation, New York, 2005).

68. Parker, A. R., A vision for natural photonics. Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 362 (1825), 2709-2720 (2004).

69. Huxley, J., The coloration of Papilio zalmoxis and P. antimachus, and the discovery of Tyndall blue in butterflies. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences 193 (1113), 441-453 (1976).

70. Bagnara, J. T., Fernandez, P. J. & Fujii, R., On the blue coloration of vertebrates. Pigment Cell & Melanoma Research 20 (1), 14-26 (2007).

71. Prum, R. O., Cole, J. A. & Torres, R. H., Blue integumentary structural colours in dragonflies (Odonata) are not produced by incoherent Tyndall scattering. Journal of Experimental Biology 207 (22), 3999-4009 (2004).

72. Young, A. T., Rayleigh scattering. Physics Today 35 (1), 42-48 (1982).

73. Prum, R. O., Torres, R. H., Williamson, S. & Dyck, J., Coherent light scattering by blue feather barbs. Nature 396 (6706), 28-29 (1998).

74. Prum, R. O. & Torres, R. H., A Fourier tool for the analysis of coherent light scattering by bio-optical nanostructures. Integrative and Comparative Biology 43 (4), 591-602 (2003).

118

75. Simonis, P. & Berthier, S., Photonic crystals – introduction, applications and theory (Intech, London, 2012).

76. Wilts, B. D., Leertouwer, H. L. & Stavenga, D. G., Imaging scatterometry and microspectrophotometry of lycaenid butterfly wing scales with perforated multilayers. Journal of the Royal Society Interface 6 (2), S185-S192 (2009).

77. Dufresne, E. R., Noh, H., Saranathan, V., Mochrie, S. G., Cao, H. & Prum, R. O., Self-assembly of amorphous biophotonic nanostructures by phase separation. Soft Matter 5 (9), 1792-1795 (2009).

78. Poulton, E. D., The colours of animals: their meaning and use, especially considered in the case of insects (Kegan Paul, Trench Trubner & Co., London, 1890).

79. Wallace, A. R., The colours of animals and plants. Macmillan's Magazine 36 (215), 384-408 (1877).

80. Brenner, M. & Hearing, V. J., The protective role of melanin against UV damage in human skin. Photochemistry and Photobiology 84 (3), 539-549 (2008).

81. Goulson, D., Determination of larval melanization in the moth, Mamestra brassicae, and the role of melanin in thermoregulation. Heredity 73 (5), 471 -479 (1994).

82. Trullas, S. C., van Wyk, J. H. & Spotila, J. R., Thermal melanism in ectotherms. Journal of Thermal Biology 32 (5), 235-245 (2007).

83. Goldstein, G., Flory, K. R., Browne, B. A., Majid, S., Ichida, J. & Burtt Jr., E. H., Bacterial degradation of black and white feathers. The Auk 121 (3), 656-659 (2004).

84. Spaethe, J., Tautz, J. & Chittka, L., Visual constraints in foraging bumblebees: flower size and color affect search time and flight behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences of the Unites States of America 98 (7), 3898-3903 (2001).

85. Wickler, W., Mimicry and the evolution of animal communication. Nature 208 (5010), 519-521 (1965).

86. Butler, C. G., Chemical communication in insects: behavioral and ecologic aspects. Communication by Chemical Signals 1, 35-78 (1970).

119

87. Virant-Doberlet, M. & Cokl, A., Vibrational communication in insects. Neotropical Entomology 33 (2), 121-134 (2004).

88. Osorio, D. & Vorobyev, M., A review of the evolution of animal colour vision and visual communication signals. Vision Research 48 (20), 2042-2051 (2008).

89. Kingsolver, J. G., Butterfly thermoregulation: organismic mechanisms and population consequences. Journal of the Lepidopterists’ Society 24, 1-20 (1985).

90. Church, N. S., Heat loss and the body temperatures of flying insects: II. Heat conduction within the body and its loss by radiation and convection. Journal of Experimental Biology 37 (1), 186-212 (1960).

91. Heinrich, B., The hot-blooded insects: strategies and mechanisms of thermoregulation (Springer Science & Business Media, Berlin, 2013).

92. Angilletta Jr, M. J., Niewiarowski, P. H. & Navas, . C. A., The evolution of thermal physiology in ectotherms. Journal of Thermal Biology 27, 249-268 (2002).

93. Whitney, H. M., Kolle, M., Andrew, P., Chittka, L., Steiner, U. & Glover, B. J., Floral iridescence, produced by diffractive optics, acts as a cue for animal pollinators. Science 323 (5910), 130-133 (2009).

94. Thomas, K. R., Kolle, M., Whitney, H. M., Glover, B. J. & Steiner, U., Function of blue iridescence in tropical understorey plants. Journal of the Royal Society Interface 7, 1699-1707. (2010).

95. Vignolini, S., Rudall, P. J., Rowland, A. V., Reed, A., Moyroud, E., Faden, R. B., Baumberg, J. J., Glover, B. J. & Steiner, U., Pointillist structural color in Pollia fruit. Proceedings of the National Academy of Sciences of the Unites States of America 109 (39), 15712-15715 (2012).

96. Graham, R. M., Lee, D. W. & Norstog, K., Physical and ultrastructural basis of blue leaf iridescence in two neotropical ferns. American Journal of Botany 80 (2), 198-203 (1993).

97. Brink, D. J., van der Berg, N. G. & Botha, A. J., Iridescent colors on seashells: an optical and structural investigation of Helcion pruinosus. Applied Optics 41 (4), 717-722 (2002).

98. Chae, J. & Nishida, S., Integumental ultrastructure and color patterns in the iridescent copepods of the family Sapphirinidae (Copepoda: Poecilostomatoida). Marine Biology 119 (2), 205-210 (1994).

120

99. Welch, V., Vigneron, J. P., Lousse, V. & Parker, A., Optical properties of the iridescent organ of the comb-jellyfish Beroë cucumis (Ctenophora). Physical Review E 73 (4), 041916 (2006).

100. Aizenberg, J., Tkachenko, A., Weiner, S., Addadi, L. & Hendler, G., Calcitic microlenses as part of the photoreceptor system in brittlestars. Nature 412 (6849), 819-822 (2001).

101. Yoshioka, S. & Kinoshita, S., Effect of macroscopic structure in iridescent color of the peacock feathers. Forma 17 (2), 169-181 (2002).

102. Stavenga, D. G., Leertouwer, H. L., Marshall, N. J. & Osorio, D., Dramatic colour changes in a bird of paradise caused by uniquely structured breast feather barbules. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences 278, 2098- 2104. (2010).

103. Kinoshita, S., Yoshioka, S. & Kawagoe, K., Mechanisms of structural colour in the Morpho butterfly: cooperation of regularity and irregularity in an iridescent scale. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences 269 (1499), 1417-1421 (2002).

104. Silberglied, R. E. & Taylor, O. R., Ultraviolet reflection and its behavioral role in the courtship of the sulfur butterflies Colias eurytheme and C. philodice (Lepidoptera, Pieridae). Behavioral Ecology and Sociobiology 3 (3), 203-243 (1978).

105. Vukusic, P., Sambles, J. R. & Lawrence, C. R., Structural colour: colour mixing in wing scales of a butterfly. Nature 404 (6777), 457 (2000).

106. Prum, R. O., Cole, J. A. & Torres, R. H., Blue integumentary structural colours in dragonflies (Odonata) are not produced by incoherent Tyndall scattering. Journal of Experimental Biology 207 (22), 3999-4009 (2004).

107. Fung, K. K., Photonic iridescence of a blue-banded bee. Microscopy and Microanalysis 11 (S02), 1202-1203 (2005).

108. Ghiradella, H., Structure of iridescent lepidopteran scales: variations on several themes. Annals of the Entomological Society of America 77 (6), 637-645 (1984).

109. Kattawar, G. W., A search for circular polarization in nature. Optics and Photonics News 5 (9), 42-43 (1994).

121

110. Parker, A. R., McKenzie, D. & Large, M., Multilayer reflectors in animals using green and gold beetles as contrasting examples. Journal of Experimental Biology 201 (9), 1307-1313 (1998).

111. Ingram, A. L. & Parker, A. R., A review of the diversity and evolution of photonic structures in butterflies, incorporating the work of John Huxley (The Natural History Museum, London from 1961 to 1990). Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences 363 (1502), 2465-2480 (2008).

112. Vukusic, P., Hallam, B. & Noyes, J., Brilliant whiteness in ultrathin beetle scales. Science 315 (5810), 348. (2007).

113. Parker, A. R., Welch, V. L., Driver, D. & Martini, N., Structural colour: opal analogue discovered in a weevil. Nature 426 (6968), 786-787 (2003).

114. Wilts, B. D., Michielsen, K., Kuipers, J., De Raed, H. & Stavenga, D. G., Brilliant camouflage: photonic crystals in the diamond weevil, Entimus imperialis. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences 279, 2524- 2530. (2012).

115. Colomer, J. F., Simonis, P., Bay, A., Cloetens, P., Suhonen, H., Rassart, M., Vandenbem, C. & Vigneron, J. P., Photonic polycrystal in the greenish-white scales of the African longhorn beetle Prosopocera lactator (Cerambycidae). Physical Review E 85 (1), 011 (2012).

116. Michielsen, K., De Raedt, H. & Stavenga, D. G., Reflectivity of the gyroid biophotonic crystals in the ventral wing scales of the Green Hairstreak butterfly, Callophrys rubi. Journal of the Royal Society Interface 7 (46), 765-771 (2010).

117. Rassart, M., Simonis, P., Bay, A., Deparis, O. & Vigneron, J. P., Scale coloration change following water absorption in the beetle Hoplia coerulea (Coleoptera). Physical Review E 80 (3), 031910 (2009).

118. Jolivet, P. H., Physiological colour changes in tortoise beetles. pp. 331-335. In: Jolivet, P. H., Cox, M. L. & Petitpierre, E. (Eds.): Novel aspects of the biology of Chrysomelidae (Springer, Dordrecht, 1994).

119. Liu, F., Dong, B. Q., Liu, X. H., Zheng, Y. M. & Zi, J., Structural color change in longhorn beetles Tmesisternus isabellae. Optics Express 17 (18), 16183-16191 (2009).

122

120. De Silva, L., Hodgkinson, I., Murray, P., Wu, Q. H., Arnold, M., Leader, J. & Mcnaughton, A., Natural and nanoengineered chiral reflectors: structural color of manuka beetles and titania coatings. Electromagnetics 25 (5), 391-408 (2005).

121. Liu, F., Wang, G., Jiang, L. & Dong, B., Structural colouration and optical effects in the wings of Papilio peranthus. Journal of Optics 12 (6), 065301 (2010).

122. Adams, M. J., An introduction to optical waveguides. Vol. 14 (Wiley, New York, 1981).

123. Snyder, A. W. & Menzel, R., Photoreceptor optics (Springer Science & Business Media, 2012).

124. Reed, G. T. & Knights, A. P., Silicon photonics: an introduction. (John Wiley & Sons, New Jersey, 2004).

125. Enoch, J. M. & Lakshminarayanan, V., Retinal fibre optics. pp. 280-309. In: Charman, W. N. (Ed.): Visual optics and instrumentation: vision and visual dysfunction (MacMillan Press, London, 1991).

126. Land, M. F., The optics of animal eyes. Contemporary Physics 29 (5), 435-455 (1988).

127. Thalmann, R., Thalmann, I. & Comegys, T. H., Quantitative cytochemistry of the organ of corti, dissection, weight determination and analysis of single outer hair cells. The Laryngoscope 82 (11), 2059-2078 (1972).

128. Mandoli, D. F. & Briggs, W. R., The photoperceptive sites and the function of tissue light-piping in photomorphogenesis of etiolated oat seedlings. Plant, Cell & Environment 5 (2), 137-145 (1982).

129. Wells, J., Hair light guide. Nature 338, 23 (1989).

130. Callahan, P. S., A high frequency dielectric waveguide on the antennae of night- flying moths (Saturniidae). Applied Optics 7 (8), 1425-1430 (1968).

131. Stavenga, D. G., Optical qualities of the fly eye – an approach from the side of geometrical, physical and waveguide optics. pp. 126-144. In: Snyder, A. W. & Menzel, R. (Eds.): Photoreceptor optics (Springer, Berlin-Heidelberg, 1975).

132. Huang, J., Wang, X. & Wang, Z. L., Controlled replication of butterfly wings for achieving tunable photonic properties. Nano Letters 6 (10), 2325-2331 (2006).

123

133. Callahan, P. S., Tapping modulation of the far infrared (17-μm region) emission from the cabbage looper moth pheromone (sex scent). Applied Optics 16 (12), 3098-3102 (1977).

134. Vukusic, P., Kelly, R. & Hooper, I., A biological sub-micron thickness optical broadband reflector characterized using both light and microwaves. Journal of the Royal Society Interface 6, S193-S201 (2008).

135. Zhao, Y., Structural color materials in evolution. Materials Today 19 (8), 420-421 (2016).

136. Gillott, C., Entomology (Springer Science & Business Media, Berlin, 2005).

137. Bouchard, P., Bousquet, Y., Davies, A., Alonso-Zarazaga, M., Lawrence, J., Lyal, C., Newton, A., Reid, C., Schmitt, M., Slipiński, A. & Smith, A., Family-group names in Coleoptera (Insecta). ZooKeys 88, 1-972 (2011).

138. Gullan, P. J. & Cranston, P. S., The insects: an outline of entomology (John Wiley & Sons, New Jersey, 2004).

139. Van de Kamp, T. & Greven, H., On the architecture of beetle elytra. Entomologie Heute 22, 191-204 (2010).

140. Brajković, M. & Ćurčić, S., Opšta entomologija (Biološki fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 2008).

141. Stojanović, D. V., Taksonomsko-faunistička studija leptira (Insecta: Lepidoptera) Fruške gore (Biološki fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 2012).

142. Scoble, M. J., The Lepidoptera. Form, function and diversity (Oxford University Press, Oxfrod, 1992).

143. Ghiradella, H., Structure of butterfly scales: patterning in an insect cuticle. Microscopy Research and Technique 27 (5), 429-438 (1994).

144. Capinera, J. L., Encyclopedia of entomology (Springer, New York, 2008).

145. Neville, A. C., Biology of the arthropod cuticle (Springer-Verlag, New York, 1975).

146. Locke, M., The structure and formation of the cuticulin layer in the epicuticle of an insect, Calpodes ethlius (Lepidoptera, Hesperidae). Journal of Morphology 118, 461-494 (1966).

124

147. Hackman, R. H., Cuticle: biochemistry. pp. 583-610. In: Bereiter-Hahn, J., Matoltsy, A. G. & Richards, K. S. (Eds.): Biology of the integument. Invertebrates (Springer-Verlag, New York, 1984).

148. Seago, A. E., Brady, P., Vigneron, J. P. & Schultz, T. D., Gold bugs and beyond: a review of iridescence and structural colour mechanisms in beetles (Coleoptera). Journal of the Royal Society Interface 6 (2), S165-S184 (2009).

149. Ghiradella, H., Light and color on the wing: structural colors in butterflies and moths. Applied Optics 30 (24), 3492-3500 (1991).

150. Richards, A. G., Studies on arthropod cuticle. I. The distribution of chitin in lepidopterous scales, and its bearing on the interpretation of arthropod cuticle. Annals of the Entomological Society of America 40 (2), 227-240 (1947).

151. Zhang, W., Gu, J., Liu, Q., Su, H., Fan, T. & Zhang, D., Butterfly effects: novel functional materials inspired from the wings scales. Physical Chemistry Chemical Physics 16 (37), 19767-19780 (2014).

152. Pantelić, D., Krmpot, A., Stojanović, D. V., Rabasović, M. D., Ćurčić, S., Savić- Šević, S., Lazović, V. & Pavlović, D., Svetlost na krilu leptira. pp. 45-53. In: Popović, Z. V. & Jelenković, B. (Eds.): Svetlost u razvoju društva. Prošlost, sadašnjost i budućnost (Srpska akademija nauka i umetnosti, Beograd, 2016).

153. Wen, L., Weaver, J. C. & Lauder, G. V., Biomimetic shark skin: design, fabrication and hydrodynamic function. Journal of Experimental Biology 217 (10), 1656-1666 (2014).

154. Zheng, Y., Bai, H., Huang, Z., Tian, X., Nie, F. Q., Zhao, Y., Zhai, J. & Jiang, L., Directional water collection on wetted spider silk. Nature 463 (7281), 640-643 (2010).

155. Walsh, D. & Mann, S., Fabrication of hollow porous shells of calcium carbonate from self-organizing media. Nature 377 (6547), 320-323 (1995).

156. Zhang, W., Zhang, D., Fan, T., Gu, J., Ding, J., Wang, H., Guo, Q. & Ogawa, H., Novel photoanode structure templated from butterfly wing scales. Chemistry of Materials 21 (1), 33-40 (2008).

157. Thickett, S. C., Neto, C. & Harris, A. T., Biomimetic surface coatings for atmospheric water capture prepared by dewetting of polymer films. Advanced Materials 23 (32), 3718-3722 (2011).

125

158. Yu, K., Fan, T., Lou, S. & Zhang, D., Biomimetic optical materials: Integration of nature’s design for manipulation of light. Progress in Materials Science 58 (6), 825-873 (2013).

159. Parker, A. R. & Townley, H. E., Biomimetics of photonic nanostructures. Nature Nanotechnology 2 (6), 347-353 (2007).

160. Vigneron, J. P, Pasteels, J. M., Windsor, D. M., Vertesy, Z., Rassart, M., Seldrum, T., Dumont, J., Deparis, O., Lousse, V., Biro, L. P., Ertz, D. & Welch, V., Switchable reflector in the Panamanian tortoise beetle Charidotella egregia (Chrysomelidae: Cassidinae). Physical Review E 76 (3), 031907 (2007).

161. Vukusic, P., An introduction to bio-inspired design. Contact Lens Spectrum 25 (4B), 6-13 (2010).

162. Parker, A. R., Natural photonic engineers. Materials Today 5 (9), 26-31 (2002).

163. Vigneron, J. P., Rassart, M., Vandenbem, C., Lousse, V, Deparis, O., Biró, L. P., Dedouaire, D., Cornet, A. & Defrance, P., Spectral filtering of visible light by the cuticle of metallic woodboring beetles and microfabrication of a matching bioinspired material. Physical Review E 73 (4), 041905 (2006).

164. Van Renesse, R. L., Optical document security, 3rd edition (Artech House, 2004).

165. Campanaro, A., De Zan, L. R., Hardersen, S., Antonini, G., Chiari, S., Cini, A., Mancini, E., Mosconi, F., de Gasperis, S. R., Solano, E., Bologna, M. A. & Peverieri, G. S., Guidelines for the monitoring of Rosalia alpina. Nature Conservation 20, 165-203 (2017).

166. Duelli, P. & Wermelinger, B., Rosalia alpina L.: a rare and emblematic cerambycid. Sherwood-Foreste ed Alberi Oggi 114, 19-25 (2005).

167. Bense, U., Longhorn beetles: illustrated key to the Cerambycidae and Vesperidae of Europe (Josef Margraf Verlag, Aichtal, 1995).

168. Duelli, P. & Wermelinger, B., Der Alpenbock (Rosalia alpina). Ein seltener Bockkäfer als Flaggschiff Art. Merkblatt für die Praxis 39, 1-8 (2005).

169. Drag, L., Hauck, D., Pokluda, P., Zimmermann, K. & Cizek, L., Demography and dispersal ability of a threatened saproxylic beetle: a mark-recapture study of the Rosalia Longicorn (Rosalia alpina). PLoS One 6 (6), e21345 (2011).

126

170. Lachat, T., Ecker, K., Duelli, P. & Wermelinger, B., Population trends of Rosalia alpina (L.) in Switzerland: a lasting turnaround? Journal of Insect Conservation 17 (4), 653-662 (2013).

171. Pavlović, D., Vasiljević, D., Salatić, B., Lazović, V., Dikić, G., Tomić, L., Ćurčić, S., Milovanović, P., Todorović, D. & Pantelić, D. V., Photonic structures improve radiative heat exchange of Rosalia alpina (Coleoptera: Cerambycidae). Journal of Thermal Biology 76, 126-138 (2018).

172. Parisi, V. & Busetto, A., Scarabaeidae, Lucanidae, Cerambycidae. Revisione dei coleotteri presenti nella collezione “A. Leosini” (Museo di Storia Naturale, Università di Parma, Parma, 1992).

173. Hardersen, S., Bardiani, M., Chiari, S., Maura, M., Maurizi, E., Roversi, P. F., Mason, F. & Bologna, M. A., Guidelines for the monitoring of Morimus asper funereus and Morimus asper asper. Nature Conservation 20, 205-236 (2017).

174. Solano, E., Mancini, E., Ciucci, P., Mason, F., Audisio, P. & Antonini, G., The EU protected taxon Morimus funereus Mulsant, 1862 (Coleoptera: Cerambycidae) and its western Palaearctic allies: systematics and conservation outcomes. Conservation Genetics 14 (3), 683-694 (2013).

175. Carrillo-Ruiz, H. & Morón, M. A., Phylogenetic relationships of the genus Hoplia Illiger (Scarabaeidae: Hopliinae). Neotropical Entomology 40 (2), 217-221 (2011).

176. Forenbaher, S., Kompendij velebitske faune (Veterinarski fakultet, Univerzitet u Zagrebu, Zagreb, 2002).

177. Stephens, J. F., Illustrations of British entomology. A synopsis of indigenous insects; containing their generic and specific distinctions; with an account of their metamorphoses, times of appearance, localities, food, and economy, as far as practicable (Baldwin and Cradock, London, 1834).

178. Kirby, W. & Spence, W., An introduction to entomology . Elements of the natural history of insects (Longman, Hurst, Rees, Orme, and Brown, London, 1818).

179. Jakšić, P. & Nahirnić, A., Dnevni leptiri Zasavice (JP Službeni glasnik & Specijalni rezervat prirode Zasavica, Beograd-Sremska Mitrovica, 2011).

180. Tolman, T. & Lewington, R., Butterflies of Europe (Princeton University Press, Princeton, 1997).

127

181. van Swaay, C., Cuttelod, A., Collins, S., Maes, D., Munguira, M. L., Šašić, M., Settele, J., Verovnik, R., Verstrael, T., Warren, M., Wiemers, M. & Wynhoff, I., European Red List of butterflies (Publications Office of the European Union, 2010).

182. Hille, A., Miller, M. A. & Erlacher, S., DNA sequence variation at the mitochondrial cytochrome oxidase I subunit among pheromotypes of the sibling taxa Diachrysia chrysitis and D. tutti (Lepidoptera: Noctuidae). Zoologica Scripta 34 (1), 49-56 (2005).

183. Seitz, A., The Macrolepidoptera of the world: a systematic description of the known Macrolepidoptera (Kernen Verlag, Stuttgart, 1927).

184. Robinson, G. S., Ackery, P. R., Kitching, I. J., Beccaloni, G. W. & Hernández, L. M., HOSTS – a database of the world’s lepidopteran hostplants (Natural History Museum, London, 2010).

185. Holden, P. & Abbott, G., RSPB handbook of garden wildlife (A & C Black, London, 2008).

186. Stojanović, D. & Ćurčić, S., The diversity of noctuid moths (Lepidoptera: Noctuidae) in Serbia. Acta zoologica bulgarica 63 (1), 47-60 (2011).

187. Efetov, K. A. & Tarmann, G. M., Forester moths: the genera Theresimima Strand, 1917, Rhagades Wallengren, 1863, Jordanita Verity, 1946, and Adscita Retzius, 1783 (Lepidoptera: Zygaenidae, Procridinae) (Apollo Books, Stenstrup, 1999).

188. Naumann, C. M., Tarmann, G. M. & Tremewan, W. G., The western Palaearctic Zygaenidae (Lepidoptera). (Apollo Books, Stenstrup, 1999).

189. Holdsworth, D. W. & Thornton, M. M., Micro-CT in small animal and specimen imaging. Trends in Biotechnology 20 (8), S34-S39 (2002).

190. Rabasović, M. D., Pantelić, D. V., Jelenković, B. M., Ćurčić, S. B., Rabasović, M. S., Vrbica, M. D., Lazović, V. M., Ćurčić, B. M. & Krmpot, A. J., Nonlinear microscopy of chitin and chitinous structures: a case study of two cave-dwelling insects. Journal of Biomedical Optics 20 (1), 016010 (2015).

191. Pantelić, D., Savić-Šević, S., Stojanović, D. V., Ćurčić, S., Krmpot, A. J., Rabasović, M., Pavlović, D., Lazović, V. & Milošević, V., Scattering-enhanced absorption and interference produce a golden wing color of the burnished brass moth, Diachrysia chrysitis. Physical Review E 95, 032405 (2017).

128

192. Stavenga, D. G., Leertouwer, H. L., Hariyama, T., De Raedt, H. A. & Wilts, B. D., Sexual dichromatism of the damselﬂy Calopteryx japonica caused by a melanin- chitin multilayer in the male wing veins. PLos One 7 (11), e49743 (2012).

193. Burnham, R. W., Hanes, R. M. & Bartleson, C. J., Color (Wiley, New York, 1963).

194. Davies, H., The reflection of electromagnetic waves from rough surface. Proceedings of the IEE - Part IV: Institution Monographs 101, 209-214 (1954).

195. Dominé, D., Haug, F. J., Battaglia, C. & Ballif, C., Modeling of light scattering from micro- and nanotextured surfaces. Journal of Applied Physics 107 (4), 044504 (2010).

196. Akimov, Y. A., Koh, W. S., Sian, S. Y. & Ren, S., Nanoparticle-enhanced thin film solar cells: metallic or dielectric nanoparticles? Applied Physics Letters 96 (7), 073111 (2010).

197. Yablonovitch, E. & Cody, G. D., Intensity enhancement in textured optical sheets for solar cells. IEEE Transactions on Electron Devices 29 (2), 300-305 (1982).

198. Springer, J., Poruba, A. & Vanecek, M., Improved three-dimensional optical model for thin-film silicon solar cells. Journal of Applied Physics 96 (9), 5329-5337 (2004).

199. Herman, A., Vandenbem, C., Deparis, O., Simonis, P. & Vigneron, J. P., Nanoarchitecture in the black wings of Troides magellanus: a natural case of absorption enhancement in photonic materials. Proceedings of SPIE 8094, 80940H (2011).

200. Dikić, G., Pavlović, D., Tomić, L., Pantelić, D., Vasiljević, D. & Stojanović, D., The thermographic analysis of photonic characteristics of Rosalia alpina surfaces. Proceedings of 3rd International Conference on Electrical, Electronic and Computing Engineering (IcETRAN), Zlatibor, Serbia, 13-16 June 2016, pp. MOI1.2.1-5 (2016).

201. Lévesque, L., Law of cooling, heat conduction and Stefan-Boltzmann radiation

laws fitted to experimental data for bones irradiated by CO2 laser. Biomedical Optics Express 5 (3), 701-712 (2014).

129

202. Torres, J. H., Motamedi, M., Pearce, J. A. & Welch, A. J., Experimental evaluation of mathematical models for predicting the thermal response of tissue to laser irradiation. Applied Optics 32 (4), 597-606 (1993).

203. Ishay, J. S. & Pertsis, V., The specific heat of the cuticle and the morphological differences between the brown and yellow cuticles of hornets. Journal of Electron Microscopy 51 (6), 401-411 (2002).

204. Vincent, J. F. & Wegst, U. G., Design and mechanical properties of insect cuticle. Arthropod Structure & Development 33 (3), 187-199 (2004).

205. Hammer, D. X., Dave, D., Milner, T. E., Choi, B., Rylander 3rd, H. G. & Welch, A. J., Investigation of the transduction mechanism of infrared detection in Melanophila acuminata: photo-thermal–mechanical hypothesis. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology 132 (2), 381-392 (2002).

206. Anders, I., Stagl, J., Auer, I. & Pavlik, D., Climate change in central and eastern Europe. pp. 17-30. In: Rannow, S. & Neubert, M. (Eds.): Managing protected areas in central and eastern Europe under climate change (Springer, Heidelberg, 2014).

207. Brink, D. J., Smith, J. E., Lee, M. E. & Möller, A., Optical diffraction by the microstructure of the wing of a moth. Applied Optics 34, 6049-6057 (1995).

208. Giraldo, M. A., Butterfly wing scales: pigmentation and structural properties. PhD Thesis (University of Groningen, Groningen, 2008).

209. Hernández-Jiménez, M., Azofeifa, D. E., Libby, E., Barboza-Aguilar, C., Solís, Á., Arce-Marenco, L., García-Aguilar, I., Hernández, A. & Vargas, W. E., Qualitative correlation between structural chirality through the cuticle of Chrysina aurigans scarabs and left-handed circular polarization of the reflected light. Optical Materials Express, 4 (12), 2632-2645 (2014).

210. Steinbrecht, R. A., Mohren, W., Pulker, H. K. & Schneider, D., Cuticular interference reflectors in the golden pupae of danaine butterflies. Proceedingsof the Royal Society of London B: Biological Sciences 226, 367-390 (1985).

211. Rothschild, M., Gardiner, B. & Mummery, R., The role of carotenoids in the “golden glance” of danaid pupae (Insecta: Lepidoptera). Journal of Zoology 186, 351-358 (1978).

130

212. Stavenga, D. G., Surface colors of insects: wings and eyes. pp. 285-306. In: Gorb, S. N. (Ed.): Functional surfaces in biology: little structures with big effects (Springer, Dordrecht, 2009).

213. Morehouse, N. I., Vukusic, P. & Rutowski, R., Pterin pigment granules are responsible for both broadband light scattering and wavelength selective absorption in the wing scales of pierid butterflies. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 274, 359-366 (2007).

214. Stavenga, D. G., Stowe, S., Siebke, K., Zeil, J. & Arikawa, K., Butterfly wing colours: scale beads make white pierid wings brighter. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 271, 1577-1584 (2004).

215. Luke, S. M., Vukusic, P. & Hallam, B., Measuring and modelling optical scattering and the colour quality of white pierid butterfly scales. Optics Express 17, 14729- 14743 (2009).

216. Neville, A. C., Metallic gold and silver colours in some insect cuticles. Journal of Insect Physiology 23, 1267-1274 (1977).

217. Boardman, M., Askew, R. R. & Cook, L. M., Experiments on resting site selection by nocturnal moths. Journal of Zoology 172 (3), 343-355 (1974).

218. Callahan, P. S., Far infra-red emission and detection by night-flying moths. Nature 206 (4989), 1172-1173 (1965).

219. Callahan, P. S., Intermediate and far infrared sensing of nocturnal insects. Part I. Evidences for a far infrared (FIR) electromagnetic theory of communication and sensing in moths and its relationship to the limiting biosphere of the corn earworm. Annals of the Entomological Society of America 58 (5), 727-745 (1965).

220. Svensson, I., Douwes, P. & Stille, B. O., Are Diachrysia chrysitis (L.) and D. tutti (Kostrowicki) different species?(Lepidoptera: Noctuidae). Insect Systematics & Evolution 20 (1), 15-22 (1989).

221. Berthier, S., Boulenguez, J. & Bálint, Z., Multiscaled polarization effects in Suneve coronata (Lepidoptera) and other insects: application to anti-counterfeiting of banknotes. Applied Physics A 86 (1), 123-130 (2007).

222. Overton, J., Microtubules and microfibrils in morphogenesis of the scale cells of Ephestia kühniella. Journal of Cell Biology 29 (2), 293-305 (1966).

131

223. Galant, R., Skeath, J. B., Paddock, S., Lewis, D. & Carroll, S. B., Expression pattern of a butterfly achaete-scute homolog reveals the homology of butterfly wing scales and insect sensory bristles. Current Biology 8 (14), 807-813 (1998).

224. Ghiradella, H. & Radigan, W., Development of butterfly scales. II. Struts, lattices and surface tension. Journal of Morphology 150 (2), 279-297 (1976).

225. Pantelic, D., Rabasovic, M., Krmpot, A., Lazovic, V. & Pavlović, D., Patent No. PCT/EP2015/081398 (2015).

226. Pantelic, D., Rabasovic, M., Krmpot, A., Lazovic, V. & Pavlovic, D., Patent No. PCT/EPO2015/081400 (2015).

227. Pantelic, D., Rabasovic, M., Krmpot, A., Lazovic, V. & Pavlović, D., Patent No. PCT/EP2015/081407 (2015).

228. Schultz, T. D. & Rankin, M. A., The ultrastructure of the epicuticular interference reflectors of tiger beetles (Cicindela). Journal of Experimental Biology 117 (1), 87- 110 (1985).

229. Parker, A. R., A geological history of reflecting optics. Journal of the Royal Society Interface 2 (2), 1-17 (2005).

230. Liu, F., Yin, H., Dong, B., Qing, Y., Zhao, L., Meyer, S. & Liu, X., Inconspicuous structural coloration in the elytra of beetles Chlorophila obscuripennis (Coleoptera). Physical Review E 77 (1), 012901 (2008).

231. Gorb, S. N., Functional surfaces in biology: little structures with big effects (Springer, Dordrecht, 2009).

232. Vukusic, P., Sambles, J. R., Lawrence, C. R. & Wootton, R. J., Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences 266 (1427), 1403-1411 (1999).

233. Kristensen, N. P., Handbook of zoology, volume IV. Arthropoda: Insecta, part 36. Lepidoptera, moths and butterflies, volume 2: morphology, physiology, and development (Walter de Gruyter, Berlin, 2004).

234. Niehuis, O., Yen, S. H., Naumann, C. M. & Misof, B., Higher phylogeny of zygaenid moths (Insecta: Lepidoptera) inferred from nuclear and mitochondrial sequence data and the evolution of larval cuticular cavities for chemical defence. Molecular Phylogenetics and Evolution 39 (3), 812-829 (2006).

132

235. Efetov, K. A. & Tarmann, G. M., Forester moths (Apollo Books, Stenstrup, 1999).

236. Wiklund, C. & Sillén-Tullberg, B., Why distasteful butterflies have aposematic larvae and adults, but cryptic pupae: evidence from predation experiments on the monarch and the European swallowtail. Evolution 39 (5), 1155-1158 (1985).

237. Prudic, K. L., Skemp, A. K. & Papaj, D. R., Aposematic coloration, luminance contrast, and the benefits of conspicuousness. Behavioral Ecology 18 (1), 41-46 (2006).

238. Hardy, A. R., A revision of the Hoplia of the Nearctic realm (Coleoptera: Scarabaeidae). Occasional Papers in Entomology 23, 1-48 (1977).

239. Mico, E. & Galante, E., Nuevas sinonimias para las especies del género Hoplia Illiger (Coleoptera: Scarabaeoidea: Melolonthidae: Hopliinae). Boletín de la Asociación Española de Entomología 26, 39-43 (2002).

240. Lelo, S. & Kašić-Lelo, M., Biodiverzitet listorožaca (Insecta: Coleoptera, Scarabaeoidea) Bosne i Hercegovine.Biosistematski prijegled podataka sa preliminarnim kartama rasprostranjenja (Udruženje za inventarizaciju i zaštitu životinja, Ilijaš, 2010).

241. Mikšić, R., Scarabaeidae Jugoslavije III (Naučno društvo Bosne i Hercegovine, Sarajevo, 1965).

242. Vigneron, J. P., Colomer, J. F., Vigneron, N. & Lousse, V., Natural layer-by-layer photonic structure in the squamae of Hoplia coerulea (Coleoptera). Physical Review E 72 (6), 061904 (2005).

243. Van Hooijdonk, E., Berthier, S. & Vigneron, J. P., Bio-inspired approach of the fluorescence emission properties in the scarabaeid beetle Hoplia coerulea (Coleoptera): modeling by transfer-matrix optical simulations. Journal of Applied Physics 112 (11), 114702 (2012).

244. Gentil, K., Beitrag zur Morphologie und Optik der Schillerschuppen von Hoplia coerulea Drury und Hoplia farinosa Linné (Col.). Zeitschrift für Morphologie und Ökologie der Tiere 40 (1-3), 299-313 (1943).

245. Ruiz-Hitzky, E., Darder, M., Aranda, P. & Ariga, K., Advances in biomimetic and nanostructured biohybrid materials. Advanced Materials 22 (3), 323-336 (2010).

133

246. Costa, R. R., Custódio, C. A., Arias, F. J., Rodríguez-Cabello, J. C. & Mano, J. F., Layer-by-layer assembly of chitosan and recombinant biopolymers into biomimetic coatings with multiple stimuli-responsive properties. Small 7 (18), 2640-2649 (2011).

247. Deng, Y., Sun, Y., Chen, X., Zhu, P. & Wei, S., Biomimetic synthesis and biocompatibility evaluation of carbonated apatites template-mediated by heparin. Materials Science and Engineering C: Materials for Biological Applications 33 (5), 2905-2913 (2013).

248. Heinrich, B., Thermoregulation in endothermic insects. Science 185 (4153), 747- 756 (1974).

249. Bartholomew, G. A. & Heinrich, B., Endothermy in African dung beetles during flight, ball making, and ball rolling. Journal of Experimental Biology 73 (1), 65-83 (1978).

250. Lahondère, C. & Lazzari, C. R., Mosquitoes cool down during blood feeding to avoid overheating. Current Biology 22 (1), 40-45 (2012).

251. Nijhout, H. F., The development and evolution of butterfly wing patterns (Smithsonian Institution Scholarly Press, Washington, DC, 1991).

252. Biró, L. P., Bálint, Z., Kertész, K., Vértesy, Z., Márk, G. I., Horvát, Z. E., Balázs, J., Méhn, D., Kiricsi, I., Lousse, V. & Vigneron, J. P., Role of photonic-crystal- type structures in the thermal regulation of a lycaenid butterfly sister species pair. Physical Review E 67 (2), 021907 (2003).

253. Cizek, L., Schlaghamerský, J., Bořucký, J., Hauck, D. & Helešic, J., Range expansion of an endangered beetle: Alpine Longhorn Rosalia alpina (Coleoptera: Cerambycidae) spreads to the lowlands of Central Europe. Entomologica Fenicca 20 (3), 200-206 (2009).

254. Starzyk, J. K., Rosalia alpina (Linnaeus, 1758), Nadobnica alpejska. pp. 148-149. In: Głowacinski, Z. & Nowacki, J. (Eds.): Polska czerwona ksiega zwieryat. Bezkregowce (Instytut ochrony przyrody, Polska akademia nauk & Uniwersytet przyrodniczy w Poznaniu, Kraków-Poznań, 2004).

255. Russo, D., Cistrone, L. & Garonna, A. P., Habitat selection by the highly endangered long-horned beetle Rosalia alpina in Southern Europe: a multiple spatial scale assessment. Journal of Insect Conservation 15 (5), 685-693 (2011).

134

256. Drag, L., Hauck, D., Pokluda, P., Zimmermann, K. & Cizek, L., Demography and dispersal ability of a threatened saproxylic beetle: a mark-recapture study of the Rosalia Longicorn (Rosalia alpina). PLoS One 6 (6), e21345 (2011).

257. Tsherepanov, A. I., Longicorn beetles of north Asia (Cerambycinae) (Nauka, Novosibirsk, 1981).

258. Ray, A. M., Millar, J. G., McElfresh, J. S., Swift, I. P., Barbour, J. D. & Hanks, L. M., Male-produced aggregation pheromone of the cerambycid beetle Rosalia funebris. Journal of Chemical Ecology 35 (1), 96-103 (2009).

259. Lindhe, A., Lindelöw, Å. & Åsenblad, N., Saproxylic beetles in standing dead wood density in relation to substrate sun-exposed and diameter. Biodiversity and Conservation 14 (12), 3033-3053 (2005).

260. Vodka, S., Konvicka, M. & Cizek, L., Habitat preferences of oak-feeding xylophagous beetles in a temperate woodland: implications for forest history and management. Journal of Insect Conservation 13 (5), 553 (2009).

261. Buse, J., Schröder, B. & Assmann, T., Modelling habitat and spatial distribution of an endangered longhorn beetle – a case study for saproxylic insect conservation. Biological Conservation 137 (3), 372-381 (2007).

262. Lomakin, J., Huber, P. A., Eichler, C., Arkane, Y., Kramer, K. J., Beeman, R. W., Kanost, M. R. & Gehrke, S. H., Mechanical properties of the beetle elytron, a biological composite material. Biomacromolecules 12 (2), 321-335 (2010).

263. Polak, S. & Jurc, M., Phenology and mating behaviour of Morimus funereus (Coleoptera, Cerambycidae). Saproxylic beetles in Europe: monitoring, biology and conservation. Studia Forestalia Slovenica 137, 43-52 (2012).

264. Stanić, V., Ivanović, J., Janković-Hladni, M., Nenadović, V. & Marović, R., Feeding habits, behavior, oviposition and longevity of the adult cerambycid beetle Morimus asper funereus Muls.(Col., Cerambycidae) under laboratory condition. Acta entomologica Jugoslavica 21, 87-94 (1985).

265. Romero-Samper, J. & Bahillo, P., Algunas observaciones sobre la distribución y biología de Morimus asper (Sulzer, 1776) (Coleoptera: Cerambycidae) en la Península Ibérica. Boletin de la Asociacion Española de Entomologia 17, 103-122. (1993).

135

266. Maglic, M. J., Biomimicry: using nature as a model for design. MSc Thesis (University of Massachusetts, Amherst, 2012).

267. Kostić, I., Pavlović, D., Lazović, V., Vasiljević, D., Stojanović, D., Knežević, D., Tomić, L., Dikić, G. & Pantelić, D., Thermal and camouflage properties of Rosalia alpina, longhorn beetle with structural coloration. Proceedings of the 7th International Scientific Conference on Defensive Technologies (OTEH), Belgrade, Serbia, 6-7 October 2016, pp. 525-529 (2016).

136

8. BIOGRAFIJA

Danica Z. Pavlović je rođena 10. aprila 1990. godine u Beogradu, gde je završila osnovnu i srednju školu (Trinaestu beogradsku gimnaziju). Školske 2009/2010. godine upisala je Biološki fakultet Univerziteta u Beogradu, smer Ekologija i zaštita životne sredine. Diplomirala je u septembru 2013. godine sa prosekom 9,30 i stekla zvanje diplomirani biolog. Master akademske studije na Univerzitetu u Beogradu - Biološkom fakultetu upisala je 2013. godine, a završila 2014. godine, sa prosekom 9,90 i zvanjem diplomirani ekolog - master. Iste godine upisala je doktorske akademske studije na istom fakultetu, modul Entomologija. Od januara 2015. godine zaposlena je kao istraživač-pripravnik na Institutu za fiziku Univerziteta u Beogradu, na projektu Ministarstva prosvete, nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije pod nazivom “Generisanje i karakterizacija funkcionalnih nanofotonskih struktura u biomedicini i informatici” (evidencioni broj III45016). Zvanje istraživač-saradnik stekla je u julu 2017. godine.

Danica Z. Pavlović učestvuje u realizaciji dva međunarodna bilateralna projekta, sa Saveznom Republikom Nemačkom i Narodnom Republikom Kinom. Do sada je objavila četiri rada u vrhunskim međunarodnim časopisima, jedan rad u međunarodnom časopisu i veći broj saopštenja na skupovima međunarodnog i domaćeg značaja. Koautor je tri međunarodne i jedne nacionalne patentne prijave. Član je Biophysical Society, Entomološkog društva Srbije i Optičkog društva Srbije.

137

Spisak objavljenih i saopštenih radova koji su proistekli iz doktorske disertacije

Radovi u časopisima međunarodnog značaja:

1. Pavlović, D., Vasiljević, D., Salatić, B., Lazović, V., Dikić, G., Tomić, L., Ćurčić, S., Milovanović, P., Todorović, D. & Pantelić, D. V. (2018). Photonic structures improve radiative heat exchange of Rosalia alpina (Coleoptera: Cerambycidae). Journal of Thermal Biology 76, 126-138. (M21) https://doi.org/10.1016/j.jtherbio.2018.07.014

2. Pantelić, D., Savić-Šević, S., Stojanović, D., Ćurčić, S., Krmpot, A., Rabasović, M., Pavlović, D., Lazović, M. & Milošević, V. (2017). Interference and scattering-enhanced absorption produce a golden wing color of the Burnished Brass moth, Diachrysia chrysitis. Physical Review E 95 (3), 032405. (M21) https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.032405

Poglavlja u monografijama nacionalnog značaja:

1. Pantelić, D., Krmpot, A., Stojanović, D. V., Rabasović, M. D., Ćurčić, S., Savić- Šević, S., Lazović, V. & Pavlović, D. (2016). Svetlost na krilu leptira. pp. 45-53. In: Popović, Z. V. & Jelenković, B. (Eds.): Svetlost u razvoju društva. Prošlost, sadašnjost i budućnost. Srpska akademija nauka i umetnosti, Beograd. (M44)

Kongresna saopštenja na skupovima međunarodnog značaja:

1. Dikić, G., Pavlović, D., Vasiljević, D., Tomić, L. & Pantelić, D. (2016). The thermographic analysis of photonic characteristics of Rosalia alpina surfaces. 3rd International Conference on Electrical, Electronic and Computing Engineering (IcETRAN 2016). Zlatibor, Serbia, 13-16 June 2016. Proceedings, MOI1.2.1-5. (M33)

2. Kostić, I., Pavlović, D., Lazović, V., Vasiljević, D., Stojanović, D., Knežević, D., Tomić, L., Dikić, G. & Pantelić, D. (2016). Thermal and camouflage properties of Rosalia alpina longhorn beetle with structural coloration. 7th International Scientific Conference on Defensive Technologies (OTEH 2016). Belgrade, Serbia, 06-07 October 2016. Proceedings,525-529. (M33)

138

3. Pavlović, D., Pantelić, D., Vasiljević, D., Tomić, L., Dikić, G., Todorović, D., Petković, B. & Prolić, Z. (2017). Thermo-optical properties of cuticular structures of Morimus funereus (Insecta: Cerambycidae). 19th International Conference on Photoacoustic and Photothermal Phenomena. Bilbao, Spain, 16-20 July 2017. Book of Abstracts, 216. (М33)

4. Pavlović, D., Pantelić, D., Krmpot, A., Rabasović, M., Lazović, V., Vrbica, M. & Ćurčić, S. (2017). Nonlinear microscopy as a novel method for studying insect morphology. The Sixth International School and Conference on Photonics “Photonica2017”. Belgrade, Serbia, 28 August - 1 September 2017. Book of Abstracts, 113. (M33)

139