Batiendo lentamente sus alas anaranjadas y negras, una mariposa monarca sorbe líquido de un parche de barro. Su probóscide, la pieza bucal que absorbe los líquidos, roza el suelo húmedo. Durante años, Los biólogos sabían que las mariposas extraían líquidos de las superficies con poros de manera diferente a como lo hacen de las flores. Pero no tenían forma de observar esas diferencias.

"Los biólogos conocían este modo de alimentación, pero no tenía herramientas para observar lo que estaba pasando, "dijo Daria Monaenkova, quien estudió este comportamiento como estudiante de posgrado en la Universidad de Clemson.

Los microscopios por sí solos no pudieron revelar lo que Monaenkova quería estudiar. Pero una técnica relativamente nueva que usaba rayos X extremadamente poderosos resultó ser la solución. Usando la fuente de fotones avanzada del DOE, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias en el Laboratorio Nacional de Argonne, Monaenkova y otros investigadores han podido tomar videos de alta resolución del interior de insectos vivos.

Durante la última década, el APS ha sido un hogar para científicos especializados en biomecánica de insectos para realizar investigaciones que no pueden hacer en ningún otro lugar. Científicos que estudian mariposas, mosquitos y los escarabajos han utilizado el APS para revelar nuevos conocimientos sobre cómo funcionan y, potencialmente, inspirar tecnología basada en esas funciones.

Visión de rayos X de la vida real

Los científicos que estudian insectos necesitan herramientas que puedan mirar a través de sus duros esqueletos externos, revelar características de tejido blando, grabar movimientos de una milésima de segundo de duración, y mostrar detalles de una millonésima parte de un metro de largo. Sobre todo necesitan capturar cómo funcionan estos sistemas en tiempo real. Los microscopios normales no pueden satisfacer muchas de estas necesidades.

Pero los rayos X de sincrotrón, que son producidos por aceleradores de partículas, pueden. Así como los médicos usan rayos X para observar el interior de los cuerpos humanos, los científicos pueden usarlos para observar el interior de los cuerpos de los insectos. Los rayos X son especialmente útiles para tomar imágenes de estructuras que tienen diferentes densidades, como piezas bucales y sistemas digestivos.

No bastará con cualquier radiografía. Los científicos no pueden controlar los haces de rayos X regulares lo suficiente como para realizar estos experimentos. Pero las fuentes de luz de las instalaciones del usuario de la Oficina de Ciencia producen rayos X extraordinariamente poderosos que brindan a los científicos un control muy fino. En el caso del APS, es suficiente control mirar dentro de un insecto sin vaporizarlo.

Estos rayos X se trasladan a estaciones experimentales donde los científicos realizan estudios. Cada línea de luz APS tiene una óptica de rayos X que puede seleccionar la energía de los rayos X y enfocarla en la estación para satisfacer las necesidades de los científicos. Los rayos X se mueven a través del objeto que se está estudiando y entran en un centelleador, un cristal especializado que transforma los rayos X en luz visible. Una cámara de alta gama captura esa luz visible en video.

"Es como un mundo completamente nuevo revelado, "dijo Jake Socha, profesor de ingeniería biomecánica en Virginia Tech. "Casi cualquier cosa que pueda poner en la viga, estás viendo esa perspectiva nueva por primera vez ".

Incluso para las personas que se especializan en máquinas de rayos X, la claridad de las imágenes es sorprendente. Wah-Keat Lee, un investigador de rayos X que estuvo en el APS y ahora está en el NSLS-II, una instalación de usuario de Office of Science diferente, fue pionero en la técnica. Describiendo la primera vez que vio los resultados, él dijo, "La claridad de las estructuras internas del pequeño insecto fue fenomenal".

El APS consigue esta claridad con un tono muy intenso, energia alta, haz estrecho que también tiene un alto brillo (la cantidad de luz que puede enfocar en un lugar en particular en un momento particular). Como una cámara con una velocidad de obturación alta que requiere mucha luz, el brillo es importante para capturar movimientos extremadamente rápidos. En un experimento, los científicos capturaron videos de rayos X a una velocidad de más de 10, 000 cuadros por segundo. Las películas en los cines comerciales suelen tener 24 fotogramas por segundo.

"Las fuentes de luz todavía tienen una gran ventaja en velocidad, "dijo Socha, comparándolos con otras tecnologías de imagen.

Más importante, las fuentes de luz pueden generar imágenes de contraste de fase. Las máquinas de rayos X normales se basan en el hecho de que los objetos densos, como los huesos, absorben muchos rayos X. Esos rayos X no llegan al detector y las secciones de la imagen salen oscuras. Pero los insectos no tienen nada tan denso como los huesos. Como resultado, sus cuerpos absorben menos rayos X y no producirán una imagen nítida. Las imágenes de rayos X de contraste de fase resuelven este problema. Aunque los objetos ligeros no absorben muchos rayos X, cambian sus ondas. Debido a que los detectores de contraste de fase pueden medir esos cambios, son más sensibles a las ligeras diferencias de densidad que las máquinas tradicionales. De hecho, utilizando imágenes de la APS, los científicos podían distinguir entre los fluidos y el aire en el canal alimentario de un insecto.

"Te lleva de una imagen borrosa de una mancha a una imagen realmente nítida de un insecto, "dijo Socha.

Examinando el funcionamiento interno de los insectos

Si bien los científicos que estudian objetos inanimados en fuentes de luz tienen que enfrentarse a una serie de desafíos, al menos no tienen que preocuparse de que se vayan volando.

Antes de que puedan lidiar con los insectos mismos, los investigadores deben decidir la configuración de la máquina que dé como resultado las mejores imágenes y el menor daño a los insectos. Cuanto mayor sea la longitud de onda de los rayos X, cuanto mejor sea el contraste. Similar, cuanto más intenso es el rayo, cuanto más brillante y clara sea la imagen. Pero cuanto más larga es la longitud de onda y más intenso es el haz, cuanto más dañan los rayos X al insecto. Este daño puede hacer que el insecto actúe de manera antinatural o matarlo. (Si bien los científicos a menudo matan a los insectos una vez finalizado el estudio, no quieren que mueran a la mitad).

Un estudio inicial que probó una variedad de insectos encontró que, si bien cinco minutos bajo la viga no parecían tener un efecto negativo en la mayoría de las especies, más de 20 minutos los paralizó temporalmente. Incluso con esa investigación previa, los equipos todavía pasan sus primeras seis a ocho horas en el APS decidiendo la configuración de su experimento.

"Hay muchas pruebas y errores. No entrará allí dentro de media hora después de la configuración y comenzará a recopilar datos, "dijo Matthew Lehnert, entomólogo de la Universidad Estatal de Kent.

El siguiente desafío consiste en mantener quietos a los sujetos que vuelan y se arrastran.

"No se puede simplemente sentar algo frente a una viga y decir:'No te muevas, '", dijo Lehnert.

Después de noquear a los insectos usando gas nitrógeno o enfriándolos, los científicos utilizan técnicas sorprendentemente de baja tecnología para sujetarlos a las plataformas. Algunos investigadores los inmovilizan o los rodean con algodón o plastilina. Los científicos que estudian los mosquitos los adhieren a la superficie con esmalte de uñas. El periódico incluso cita la marca, para otros investigadores que esperan reproducir el trabajo.

"El esmalte de uñas es una gran herramienta para el laboratorio, "dijo Socha.

El siguiente paso es motivar a los insectos para que realicen el comportamiento deseado. Para mariposas y mosquitos, los investigadores querían observar sus hábitos alimentarios. Pero la solución de azúcar normal no aparecerá en la radiografía. Los científicos trabajaron con los miembros del personal de APS para elegir una forma de yodo que pudieran mezclar en la solución de azúcar que crearía una imagen clara y las mariposas estarían dispuestas a comer.

Con escarabajos bombarderos, los científicos querían entender cómo pueden crear, calor, y disparar un aerosol líquido a temperaturas cercanas a la ebullición. Pero los escarabajos no rocían cuando se les ordena. Algunos rociaron tan pronto como se despertaron, sobresaltado por el hecho de que había una radiografía disparándolos. Con otros, los científicos tuvieron que pincharlos con un alfiler.

Si bien el proceso no es agradable para insectos individuales, lo que los científicos aprendan puede ayudarlos a comprender mejor la especie entera y su evolución en su conjunto.

Mariposas y escarabajos y mosquitos, Oh mi

Las imágenes resultantes hicieron que la experimentación valiera la pena.

Para las mariposas, Monaenkova y sus colegas descubrieron que la probóscide actúa como una combinación de una esponja y una pajita. La estructura esponjosa en la punta de la probóscide crea una acción capilar, la capacidad de los líquidos de fluir hacia arriba sin una fuerza de succión. Eso ayuda a las mariposas a iniciar el proceso de absorber líquido de materiales porosos, pequeñas gotas, y charcos. Luego, un mecanismo en la cabeza de la mariposa bombea el líquido a través de la parte parecida a una pajita de la probóscide.

"Sin esta herramienta, la investigación que hicimos no sería posible, "dijo Monaenkova.

Este descubrimiento podría ayudar a los científicos a desarrollar nuevas tecnologías para herramientas que capturan líquidos o administran medicamentos al cuerpo de las personas.

En el caso de los mosquitos, los investigadores también encontraron un nuevo modo de alimentación. Las cabezas de los mosquitos tienen dos bombas diferentes que succionan líquido. Al observar qué partes tenían comida en un momento dado, los científicos calcularon cuánto contribuía cada bomba al flujo general. Encontraron un nuevo modo de succionar que es 27 veces más poderoso que el normal. La investigación adicional en esta área puede ayudar a los científicos a comprender mejor cómo los mosquitos transmiten enfermedades como el virus Zika.

Los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de Arizona que estudian los escarabajos bombarderos querían rastrear cada etapa de la reacción química que conduce al rocío de los escarabajos. Mapeando cómo se formó el vapor, expandido, and moved les ayudó a comprender cómo el cuerpo del escarabajo controla el proceso.

En cada caso, el APS reveló mecanismos que los científicos no tenían otra forma de investigar.

Como dijo Lee, "El trabajo que hicimos aquí cambió los libros de texto".